Atomske orbitale u čemu se sastoje, kako su one simbolizirane i tipovi



atomske orbitale su ona područja atoma definirana valnom funkcijom za elektrone. Valne funkcije su matematički izrazi dobiveni iz rezolucije Schrödingerove jednadžbe. Oni opisuju energetsko stanje jednog ili više elektrona u prostoru, kao i vjerojatnost njegovog pronalaženja.

Ovaj fizički koncept, koji kemičari primjenjuju za razumijevanje veze i periodnog sustava, smatra elektron kao val i česticu u isto vrijeme. Stoga se slika Sunčevog sustava odbacuje, gdje su elektroni planeti koji rotiraju u orbiti oko jezgre ili sunca.

Ova zastarjela vizualizacija praktična je kada se ilustriraju razine energije atoma. Na primjer: krug okružen koncentričnim prstenom koji predstavljaju orbite, i njihovi statički elektroni. Zapravo, to je slika kojom se atom unosi djeci i mladima.

Međutim, prava atomska struktura je previše složena da bi imala približnu sliku o njoj.

Uzimajući u obzir tada elektron kao valnu česticu, te rješavajući Schrödingerovu diferencijalnu jednadžbu za atom vodika (najjednostavniji sustav od svih), dobiveni su poznati kvantni brojevi..

Ovi brojevi ukazuju na to da elektroni ne mogu zauzeti bilo koje mjesto atoma, već samo one koji poštuju razinu diskretne i kvantizirane energije. Matematički izraz gore navedenog poznat je kao valna funkcija.

Tako je iz atoma vodika procijenjen niz energetskih stanja kojima upravljaju kvantni brojevi. Ta su stanja energije nazvana atomske orbitale.

No, to je samo opisalo gdje se elektron nalazi u atomu vodika. Za ostale atome, polielektronika, od helija nadalje, napravljena je orbitalna aproksimacija. Zašto? Budući da je rezolucija Schrödingerove jednadžbe za atome s dva ili više elektrona vrlo komplicirana (čak i kod trenutne tehnologije).

indeks

  • 1 Što su atomske orbitale?
    • 1.1 Radijalna valna funkcija
    • 1.2 Funkcija kutnog vala
    • 1.3. Vjerojatnost pronalaženja elektronske i kemijske veze
  • 2 Kako su oni simbolizirani?
  • 3 Vrste
    • 3.1 Orbitale
    • 3.2 Orbitale str
    • 3.3 Orbitale d
    • 3.4 Orbitale
  • 4 Reference

Što su atomske orbitale?

Atomske orbitale su valne funkcije koje se sastoje od dvije komponente: radijalne i kutne. Ovaj je matematički izraz napisan kao:

ΨNLML = Rnl(r) · YLML(Θφ)

Iako se na prvi pogled može činiti kompliciranim, imajte na umu kvantne brojeve n, l i ml Označeni su malim slovima. To znači da ta tri broja opisuju orbitalu. Rnl(r), bolje poznat kao radijalna funkcija, ovisi o n i l; dok YLML(θφ), kutna funkcija ovisi o l i ml.

U matematičkoj jednadžbi postoje i varijable r, udaljenost do jezgre, te θ i φ. Rezultat svega ovog skupa jednadžbi je fizička reprezentacija orbitala. Što je? Ono što se vidi na slici iznad. Postoji niz orbitala koje će biti objašnjene u sljedećim odjeljcima.

Njegovi oblici i dizajni (a ne boje) dolaze od ucrtavanja u prostoru valnih funkcija i njihovih radijalnih i kutnih komponenata.

Radijalna valna funkcija

Kao što se vidi iz jednadžbe, Rnl(r) ovisi o tome n kao od l. Zatim se radijalna valna funkcija opisuje glavnom energetskom razinom i njezinim pod-razinama.

Ako se može uzeti fotografija elektrona bez uzimanja u obzir njegovog smjera, može se promatrati beskonačno mala točka. Zatim, uzimajući milijune fotografija, možete detaljno opisati kako se oblaci točaka mijenjaju prema udaljenosti od jezgre.

Na taj se način gustoća oblaka može usporediti na udaljenosti i blizinu jezgre. Ako bi se ista operacija ponovila, ali s drugom energetskom razinom ili pod-razinom, stvorio bi se drugi oblak koji obuhvaća prethodni. Između njih je mali prostor gdje se elektron nikada ne nalazi; to je ono što je poznato kao radijalni čvor.

Također, u oblacima postoje regije s višom i nižom elektroničkom gustoćom. Kako postaju veće i udaljavaju se od jezgre, imaju više radijalnih čvorova; i također, udaljenost r gdje se elektron širi češće i vjerojatnije je da će ga pronaći.

Funkcija kutnog vala

Opet, iz jednadžbe je poznato da YLML(θφ) uglavnom opisuju kvantni brojevi l i ml. Ovaj put sudjeluje u magnetskom kvantnom broju, stoga je definiran smjer elektrona u prostoru; i ta se adresa može iscrtati iz matematičkih jednadžbi koje uključuju varijable θ i φ.

Sada ne nastavljamo fotografirati, nego snimiti videozapis puta elektrona u atomu. Za razliku od prethodnog eksperimenta, nepoznato je gdje se točno nalazi elektron, ali gdje ide.

Kada se kreće, elektron opisuje definiraniji oblak; u stvari, sferični oblik, ili jedan s režnjevima, poput onih viđenih na slici. Tip likova i njihov smjer u prostoru su opisani l i ml.

Postoje regije, blizu jezgre, gdje elektron ne prolazi i lik nestaje. Takve regije poznate su kao kutni čvorovi.

Primjerice, ako se promatra prva sferna orbita, brzo se zaključuje da je ona simetrična u svim smjerovima; Međutim, to nije slučaj s drugim orbitalima, čiji oblici otkrivaju prazna mjesta. Oni se mogu promatrati na početku kartezijanske ravnine, te u imaginarnim ravninama između režnjeva.

Vjerojatnost pronalaženja elektronske i kemijske veze

Da bi se utvrdila stvarna vjerojatnost pronalaženja elektrona u orbiti, moraju se uzeti u obzir dvije funkcije: radijalne i kutne. Stoga nije dovoljno pretpostaviti kutnu komponentu, tj. Ilustrirani oblik orbitala, nego i kako se njezina elektronska gustoća mijenja s obzirom na udaljenost jezgre..

Međutim, jer adrese (ml) razlikovati jednu orbitalu od druge, praktično je (iako možda nije posve točno) uzeti u obzir samo njen oblik. Na taj se način opis kemijske veze objašnjava preklapanjem tih brojki.

Primjerice, usporedna slika tri orbitale prikazana je gore: 1s, 2s i 3s. Zabilježite njezine radijalne čvorove unutar. Orbitalu 1s nedostaje čvor, dok druga dva imaju jedan i dva čvora.

Kada se razmatra kemijska veza, lakše je imati na umu samo sferni oblik ovih orbitala. Na taj način, ns orbitalna se približava drugoj, i na udaljenosti r, elektron će formirati vezu s elektronom susjednog atoma. Odavde nastaju nekoliko teorijskih (TEV i TOM) koji objašnjavaju ovu vezu.

Kako su oni simbolizirani?

Atomske orbitale, eksplicitno, simboliziraju se kao: nlml.

Kvantni brojevi zauzimaju cjelovite vrijednosti 0, 1, 2, itd., Ali simboliziraju orbitale samo za njih n numerička vrijednost Dok za l, cijeli broj zamjenjuje se odgovarajućim slovom (s, p, d, f); i za ml, varijablu ili matematičku formulu (osim za ml= 0).

Na primjer, za orbitalu 1s: n= 1, s = 0, i ml= 0 Isto vrijedi za sve ns orbitale (2s, 3s, 4s, itd.).

Da bi simbolizirali ostatak orbitala, potrebno je obratiti pažnju na njihove tipove, svaki s energetskim razinama i vlastitim karakteristikama.

vrsta

e orbitale

Kvantni brojevi l= 0, i ml= 0 (osim svojih radijalnih i kutnih komponenata) opisuju orbitalu sfernog oblika. To je ona koja vodi piramidu orbitala početne slike. Također, kao što se vidi na slici radijalnih čvorova, može se očekivati ​​da orbite 4s, 5s i 6s imaju tri, četiri i pet čvorova..

Odlikuju se time što su simetrični i njihovi elektroni doživljavaju veći učinkovit nuklearni naboj. To je zato što njihovi elektroni mogu prodrijeti u unutarnje slojeve i lebdjeti vrlo blizu jezgre, što na njih izaziva pozitivnu privlačnost.

Stoga postoji vjerojatnost da 3s elektron može prodrijeti u orbitalu 2s i 1s, približavajući se jezgri. Ta činjenica objašnjava zašto je atom s sp hibridnim orbitalima elektronegativniji (s većom tendencijom privlačenja elektroničke gustoće susjednih atoma) nego s sp hibridizacijom.3.

Dakle, elektroni orbitala su oni koji najviše doživljavaju naboj jezgre i energetski su stabilniji. Zajedno, oni ostvaruju zaštitni učinak na elektrone drugih sub-razina ili orbitala; to jest, oni umanjuju stvarni nuklearni naboj Z kojeg doživljavaju najveći vanjski elektroni.

Orbitale str

P orbitale posjeduju kvantne brojeve l= 1, i sa vrijednostima ml= -1, 0, +1. To jest, elektron u ovim orbitalama može uzeti tri smjera, koja su predstavljena kao žute bučice (prema slici iznad)..

Imajte na umu da je svaka bućica smještena duž kartezijske osi x, i i z. Dakle, ta orbitalna p, koja se nalazi na x osi, označena je kao px; onaj na y-osi, stri; i ako pokazuje okomito na ravninu xy, tj. na os z, tada je pz.

Sve orbitale su okomite jedna na drugu, tj. One tvore kut od 90º. Također, kutna funkcija nestaje u jezgri (podrijetlo kartezijanske osi), a postoji samo vjerojatnost pronalaženja elektrona unutar režnjeva (čija elektronska gustoća ovisi o radijalnoj funkciji).

Loš učinak zaštite

Elektroni tih orbitala ne mogu prodrijeti u unutarnje slojeve s istom lakoćom kao oni s orbitala. Uspoređujući njihove oblike, čini se da su p orbitale bliže jezgri; međutim, ns elektroni se najčešće nalaze oko jezgre.

Što je posljedica gore navedenog? Da jedan NP-elektron ima slabiji efektivni nuklearni naboj. Osim toga, potonje se dodatno smanjuje efektom skrininga s orbitala. To objašnjava, na primjer, zašto atom s hibridnom orbitalnom sp3 manje je elektronegativan nego s sp orbitalima2 ili sp.

Također je važno napomenuti da svaka bućica ima kutnu nodalnu ravninu, ali nema radijalni čvor (2p orbitale ništa drugo). Drugim riječima, ako bi bila narezana, unutar nje ne bi bilo slojeva kao kod orbite 2s; ali s 3p orbitale nadalje, radijalni čvorovi bi se počeli promatrati.

Ovi kutni čvorovi su odgovorni za činjenicu da najudaljeniji elektroni imaju slab učinak zaštite. Na primjer, 2s elektroni štite one od 2p orbitala u većem stupnju od 2p elektrona do onih iz 3s orbitala.

Px, Py i Pz

Od vrijednosti ml U svakom slučaju, svaki od njih predstavlja -1, 0 i +1, svaki predstavlja Px, Py ili Pz orbitalu. Ukupno, mogu primiti šest elektrona (dva za svaku orbitalu). Ova činjenica ključna je za razumijevanje elektroničke konfiguracije, periodnog sustava i elemenata koji čine takozvani blok str.

d orbitale

D orbitale imaju vrijednosti l= 2, i ml= -2, -1, 0, +1, +2. Dakle, postoji pet orbitala koje mogu ukupno držati deset elektrona. Pet kutnih funkcija d orbitala prikazano je na slici iznad.

Prvim, 3d orbitalama, nedostaju radijalni čvorovi, ali svi ostali, osim orbite dZ2, imaju dva čvorišta; ne na ravninama slike, jer one samo pokazuju u koje su osi narančasti režnjevi smješteni s oblicima listova djeteline. Dvije nodalne ravnine su one koje podudaraju okomito na sivu ravninu.

Njihovi oblici čine ih još manje učinkovitim u zaštiti učinkovitog nuklearnog opterećenja. Zašto? Jer oni imaju više čvorova, pomoću kojih jezgra može privući vanjske elektrone.

Dakle, sve d orbitale doprinose povećanju atomskih radijusa koji su manje izraženi s jedne energetske razine na drugu.

f orbitala

Konačno, f orbitale imaju kvantni broj s vrijednostima l= 3, i ml= -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Postoji sedam f orbitala, za ukupno četrnaest elektrona. Te orbitale počinju biti dostupne u razdoblju 6, simbolizirane površno kao 4f.

Svaka od kutnih funkcija predstavlja režnjeve s zamršenim oblicima i nekoliko čvorovnih ravnina. Zbog toga oni još manje štite vanjske elektrone i ta pojava objašnjava ono što je poznato kontrakcija lantanida.

Iz tog razloga za teške atome nema izražene varijacije njihovih atomskih polumjera razine n drugom n + 1 (6n do 7n, na primjer). Do danas, 5f orbitale su posljednje pronađene u prirodnim ili umjetnim atomima.

Uz sve to na umu, ponor se otvara između onoga što se zove orbita i orbitala. Iako su doslovno slični, u stvarnosti su vrlo različiti.

Koncept atomske orbite i orbitalni pristup omogućili su objašnjenje kemijske veze i kako to na ovaj ili onaj način može utjecati na molekularnu strukturu..

reference

  1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija (Četvrto izdanje, str. 13-8). Mc Graw Hill.
  2. Harry B. Gray. (1965). Elektroni i kemijsko spajanje. W. A. Benjamin, Inc. New York.
  3. Quimitube. (N. D.). Atomske orbitale i kvantni brojevi. Preuzeto s: quimitube.com
  4. Brod C.R. (2016). Vizualizacija elektronskih orbitala. Preuzeto s: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  5. Clark J. (2012). Atomske orbitale. Preuzeto s: chemguide.co.uk
  6. Kvantne priče (26. kolovoza 2011.) Atomske orbitale, srednja škola. Oporavio se od: cuentos-cuanticos.com