Що таке атомні орбіталі?
У хімії і фізики атомні орбіталі - це функція, яка називається хвильовий, яка описує властивості, характерні для не більше двох електронів в околицях атомного ядра або системи ядер, як в молекулі. Орбиталь часто зображується як тривимірна область, усередині якої існує 95-процентна вірогідність знаходження електрона.
Відео: NAJ_NOVO_HIMIA
Орбіталі і орбіти
Коли планета рухається навколо Сонця, вона окреслює шлях, званий орбітою. Подібним чином атом можна представити у вигляді електронів, що кружляють на орбітах навколо ядра. Насправді все інакше, і електрони перебувають в областях простору, відомих як атомні орбіталі. Хімія задовольняється спрощеною моделлю атома для розрахунку хвильового рівняння Шредінгера і, відповідно, визначення можливих станів електрона.
Орбіти і орбіталі звучать схоже, але вони мають зовсім різні значення. Вкрай важливо розуміти різницю між ними.
Неможливість зображення орбіт
Щоб побудувати траєкторію руху чогось, потрібно точно знати, де об`єкт знаходиться, і бути в змозі встановити, де він буде через мить. Для електрона це зробити неможливо.
згідно принципом невизначеності, не можна точно знати, де частка знаходиться в даний момент і де вона виявиться потім. (Насправді принцип говорить про те, що неможливо визначити одночасно і з абсолютною точністю її момент і імпульс).
Тому неможливо побудувати орбіту руху електрона навколо ядра. Чи є це проблемою? Ні. Якщо щось неможливо, це слід прийняти і знайти способи обійти.
Електрон водню - 1s-орбіталь
Припустимо, є один атом водню і в певний момент часу графічно відображається стан одного електрона. Незабаром після цього, процедура повторюється, і спостерігач виявляє, що частка перебуває в новому положенні. Як вона з першого місця потрапила в другу, невідомо.
Якщо продовжувати діяти таким чином, то поступово сформується свого роду 3D-карта місць ймовірного знаходження частинки.
У разі атома водню електрон може перебувати в будь-якому місці в межах сферичного простору, що оточує ядро. На діаграмі показано поперечний переріз цього сферичного простору.
95% часу (або будь-який інший відсоток, так як стовідсоткову впевненість можуть забезпечити лише розміри Всесвіту) електрон буде перебувати в межах досить легко визначається області простору, досить близькою до ядра. Така ділянка називається орбиталью. Атомні орбіталі - це області простору, в яких існує електрон.
Що він там робить? Ми не знаємо, не можемо знати і тому просто ігноруємо цю проблему! Ми можемо сказати лише, що якщо електрон знаходиться на конкретній орбіталі, то він буде мати певну енергією.
Кожна орбіталь має назву.
Простір, займане електроном водню, називається 1s-орбиталью. Одиниця тут позначає те, що частка перебуває на найближчому до ядра енергетичному рівні. S говорить про форму орбіти. S-орбіталі сферически симетричні щодо ядра - по крайней мере, як порожниста куля з досить щільного матеріалу з ядром в його центрі.
2s
Наступна орбіталь - 2s. Вона схожа на 1s, за винятком того, що область найбільш ймовірного знаходження електрона розташована далі від ядра. Це орбіталь другого енергетичного рівня.
Якщо придивитися уважно, то можна помітити, що ближче до ядра є ще один регіон кілька більш високої щільності електрона ( «щільність» є ще одним способом позначення ймовірності того, що ця частка є в певному місці).
2s-електрони (і 3s, 4s і т. Д.) Проводять частину свого часу набагато ближче до центру атома, ніж можна було б очікувати. Результатом цього є невелике зниження їх енергії на s-орбіталях. Чим ближче електрони наближаються до ядра, тим менше стає їх енергія.
3s-, 4s-орбіталі (і т. Д.) Розташовуються все далі від центру атома.
Р-орбіталі
Не всі електрони населяють s-орбіталі (насправді, дуже мало хто з них там знаходяться). На першому енергетичному рівні єдиним доступним місцем розташування для них є 1s, на другому додаються 2s і 2p.
Відео: Атомні орбіталі
Орбіталі цього типу швидше схожі на 2 однакових повітряних кулі, пов`язані один з одним на ядрі. На діаграмі показано поперечний переріз 3-мірної області простору. Знову ж, орбіталь показує лише область з 95-відсотковою ймовірністю знаходження окремого електрона.
Якщо уявити собі горизонтальну площину, яка проходить через ядро таким чином, що одна частиною орбіти буде перебувати над площиною, а інша під нею, то існує нульова ймовірність знаходження електрона на цій площині. Так як же частка потрапляє з однієї частини в іншу, якщо він ніколи не зможе пройти через площину ядра? Це пов`язано з її хвильової природою.
На відміну від s-, p-орбіталь має певну спрямованість.
На будь-якому енергетичному рівні можна мати три абсолютно еквівалентні р-орбіталі, розташовані під прямим кутом один до одного. Вони довільно позначаються символами рх, ру і pz. Так прийнято для зручності - то, що мається на увазі під напрямами X, Y або Z, постійно змінюється, т. К. Атом безладно рухається в просторі.
Р-орбіталі на другому енергетичному рівні називаються 2рх, 2ру і 2pz. Є подібні орбіталі і на наступних - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py, 4pz і так далі.
Всі рівні, за винятком першого, мають р-орбіталі. На більш високих «пелюстки» витягнуту, з найбільш імовірним місцем знаходження електрона на більшій відстані від ядра.
d- і f-орбіталі
На додаток до s- і р-орбіталей, існує два інших набору орбіталей, доступних для електронів на більш високих рівнях енергії. На третьому можливе існування п`яти d-орбіталей (зі складними формами та іменами), а також 3s- і 3p-орбіталей (3px, 3py, 3pz). В цілому їх тут є 9.
На четвертому, поряд з 4s і 4p і 4d з`являються 7 додаткових f-орбіталей - всього 16, доступних також на всіх більш високих енергетичних рівнях.
Розміщення електронів на орбіталях
Атом можна уявити, як дуже вигадливий будинок (подібний перевернутої піраміди) з ядром, що живуть на першому поверсі, і різними кімнатами на верхніх поверхах, займаних електронами:
- на першому поверсі є тільки 1 кімната (1s);
- на другому кімнат вже 4 (2s, 2рх, 2ру і 2pz);
- на третьому поверсі розташовано 9 кімнат (одна 3s, три 3р і п`ять 3d-орбіталей) і так далі.
Але кімнати не дуже великі. Кожна з них може містити тільки 2 електрони.
Зручний спосіб показати атомні орбіталі, в яких знаходяться дані частинки - це намалювати «квантові осередки».
квантові осередки
Атомні орбіталі можуть бути представлені у вигляді квадратів з електронами в них, зображеними у вигляді стрілок. Часто стрілки, спрямовані вгору і вниз, використовуються, щоб показати, що ці частинки відрізняються один від одного.
Необхідність наявності різних електронів в атомі є наслідком квантової теорії. Якщо вони знаходяться на різних орбіталях - це прекрасно, але якщо вони розташувалися на одній, то між ними має існувати якийсь тонка різниця. Квантова теорія наділяє частки властивістю, яке носить назву «спін» - саме його і позначає напрямок стрілок.
1s-орбіталь з двома електронами зображується у вигляді квадрата з двома стрілками, спрямованими вгору і вниз, але її також можна записати ще швидше як 1s2. Це читається як «один s два», а не як «один s в квадраті». Не слід плутати числа в цих позначеннях. Перше позначає енергетичний рівень, а друге - кількість частинок на орбіталі.
Відео: Що таке орбіталь
гібридизація
У хімії гібридизація є концепцією змішування атомних орбіталей в нові гібридні, здатні з`єднувати електрони з формуванням хімічних зв`язків. Sp-гібридизація пояснює хімічні зв`язки таких сполук, як Алкіни. У цій моделі атомні орбіталі вуглецю 2s і 2p змішуються, утворюючи дві sp-орбіталі. ацетилен C2H2 складається з sp-sp-переплетення двох атомів вуглецю з утворенням &sigma - зв`язку і двох додаткових &pi - зв`язків.
Атомні орбіталі вуглецю в граничних вуглеводнях мають однакові гібридні sp3-орбіталі, мають форму гантелі, одна частина якої набагато більша за іншу.
Sp2-гібридизація подібна попереднім і утворена змішанням однієї s і двох p-орбіталей. Наприклад, в молекулі етилену утворюються три sp2- і одна p-орбіталь.
Атомні орбіталі: принцип заповнення
Представляючи собі переходи від одного атома до іншого в періодичній таблиці хімічних елементів, можна встановити електронну структуру наступного атома шляхом розміщення додаткової частки в наступну доступну орбіталь.
Відео: Будова атома
Електрони, перш ніж заповнити більш високі енергетичні рівні, займають більш низькі, розташовані ближче до ядра. Там, де є вибір, вони заповнюють орбіталі окремо.
Такий порядок заповнення відомий під назвою правила Хунда. Воно застосовується тільки тоді, коли атомні орбіталі мають рівні енергіями, а також допомагає мінімізувати відштовхування між електронами, що робить атом більш стабільним.
Слід звернути увагу на те, що у s-орбіталі енергія завжди трохи менше, ніж у р на тому ж енергетичному рівні, тому перші завжди заповнюються раніше останніх.
Що дійсно дивно, так це положення 3d-орбіталей. Вони знаходяться на більш високому рівні, ніж 4s, і тому 4s-орбіталі заповнюються першими, а потім вже все 3d- і 4p-орбіталі.
Така ж плутанина відбувається і на більш високих рівнях з великою кількістю переплетень між ними. Тому, наприклад, атомні орбіталі 4f не заповнюються, поки не будуть зайняті всі місця на 6s.
Знання порядку заповнення має центральне значення для розуміння того, як описувати електронні структури.
