Какво представляват атомните орбити?

В химията и физиката, атомните орбити са функция, наречена вълна, която описва свойства, характерни за не повече от два електрона в околността на атомното ядро или система от ядра, както в молекулата. Орбиталът често се изобразява като триизмерна област, в която има 95% вероятност да се намери електрон.

Орбитална и орбита

Когато планетата се движи около Слънцето, тя очертава пътя, наречен орбита. По същия начин, атомът може да бъде представен като електрони, които обикалят в орбити около ядрото. Всъщност всичко е различно и електроните са в области от пространството, известни като атомни орбитали. Химията е удовлетворена от опростения модел на атома за изчисляване на уравнението на Шрьодингерската вълна и съответно за определяне на възможните състояния на електрона.

Орбитите и орбитите звучат подобни, но те имат напълно различни значения. Изключително важно е да се разбере разликата между тях.

Невъзможността на изображението на орбитите

За да изградите траекторията на движението на нещо, трябва да знаете точно къде е обектът и да можете да установите къде ще бъде в момента. За електрона това не може да бъде направено.

Според принципът на Хайзенберг за несигурност, Невъзможно е да се знае точно къде се намира частицата в момента и къде ще се появи по-късно. (Всъщност, принципът казва, че е невъзможно да се определи едновременно и с абсолютна точност моментът и инерцията му).

Следователно е невъзможно да се изгради орбита на електронно движение около ядрото. Това ли е голям проблем? Не, не е така. Ако нещо е невъзможно, то трябва да бъде прието и да се намерят начини да се измъкнеш.

Електрон на водород - 1s-орбитал

Да предположим, че има един водороден атом и в определено време графично улавя позицията на един електронен. Малко след това процедурата се повтаря и наблюдателят открива, че частицата е в ново положение. Тъй като е дошло от първото място във втората, не е известно.

Ако продължите да действате по този начин, ще се формира постепенно някаква 3D карта на местата, където е вероятно да бъде намерена частицата.

В случай на водороден атом електрона може да се намира навсякъде в сферичното пространство около ядрото. Диаграмата показва напречното сечение на това сферично пространство.

95% от времето (или всеки друг процент, тъй като само измеренията на Вселената могат да осигурят абсолютна сигурност), електронът ще бъде в сравнително лесно дефиниран район на пространство, достатъчно близо до ядрото. Такъв сайт се нарича орбитал. Атомните орбитали са области на пространството, в които съществува електронен.

Какво прави той там? Не знаем, не можем да знаем и затова просто пренебрегваме този проблем! Можем само да кажем, че ако един електрон е в определена орбита, тогава той ще има определена енергия.

Всяка орбита има име.

Пространството, заемано от електрона на водорода, се нарича 1s-орбитал. Тук единицата означава, че частицата е най-близко до ядрото. S говори за формата на орбитата. S-орбитите са сферично симетрични по отношение на ядрото - поне като куха топка от доста плътен материал с ядро ​​в центъра.

2s

Следващият орбитал е 2s. То е подобно на 1s, с изключение на това, че регионът с най-вероятното местоположение на електрона се намира по-далеч от ядрото. Това е орбиталът на второто енергийно ниво.

Ако се вгледате внимателно, ще забележите, че колкото по-близо до ядрото има още една област на малко по-висока плътност на електрони ( "плътност" е друг начин да се позова на вероятността, че частицата присъства в определено място).

2s-електроните (и 3s, 4s и т.н.) прекарват част от времето си много по-близо до центъра на атома, отколкото би очаквал. Резултатът е леко понижаване на тяхната енергия в s-орбитата. Колкото по-близо до електроните приближават ядрото, толкова по-малко става тяхната енергия.

Орбитите 3s-, 4s (и така нататък) се намират далече от центъра на атома.

P-орбитали

Не всички електрони обитават s-орбитата (в действителност, много малко от тях са там). На първия енергийно ниво Единственото налично местоположение за тях е 1 секунди, а за второто 2 се добавят и 2 сек.

Орбитите от този тип са по-скоро като два идентични балона, свързани един към друг на сърцевината. Диаграмата показва напречното сечение на 3-измерна област на пространството. Отново орбитата показва само регион с 95% вероятност да намери отделен електронен.

Ако си представим хоризонтална равнина, която минава през ядрото по такъв начин, че една част от орбитата да е над равнината, а другата под нея, има нулева вероятност да се намери електрон в тази равнина. И така, как частицата стига от една страна в друга, ако никога не може да мине през ядрото? Това се дължи на неговата вълна характер.

За разлика от s-, р-орбитата има определена насоченост.

На всяко ниво на енергия можете да имате три абсолютно еквивалентни p-орбита, разположени под прав ъгъл един на друг. Те са произволно обозначени със символите p_х, R_при и стр_Z. Така че е прието за удобство - това, което се разбира под направленията X, Y или Z, постоянно се променя, тъй като атомът се движи случайно в пространството.

П-орбиталите на второто енергийно ниво се наричат ​​2р_х, 2P_при и 2р_Z. Има подобни орбитали, а при следващите - 3p_х, 3p_ш, 3p_Z, 4P_х, 4P_ш, 4P_Z и така нататък.

Всички нива, с изключение на първия, имат p-орбитал. По-висшите "венчелистчета" са удължени, с най-вероятното местоположение на електрона на по-голямо разстояние от ядрото.

d- и f-орбиталите

В допълнение към s и p орбиталите, съществуват и два други комплекта орбита, достъпни за електрони при по-високи енергийни нива. На трето, съществуването на пет d-орбитали (със сложни форми и имена), както и 3s и 3p orbitals (3p_х, 3p_ш, 3p_Z). Общо има 9 от тях.

В четвъртото, заедно с 4s и 4p и 4d, се появяват 7 допълнителни орбита - само 16, налични на всички по-високи енергийни нива.

Поставянето на електрони в орбитата

Атомът може да се представи като много странна къща (като обърната пирамида) с ядро, живеещо на първия етаж, и различни стаи на горните етажи, заети с електрони:

• на първия етаж има само 1 стая (1s);
• на втората стая вече 4 (2s, 2p_х, 2P_при и 2р_Z);
• на третия етаж има 9 стаи (един 3s, три 3p и пет 3d орбитал) и така нататък.

Но стаите не са много големи. Всеки от тях може да съдържа само два електрона.

Един удобен начин да се покажат атомните орбитали, в които се намират тези частици, е да се извлекат "квантови клетки".

Квантови клетки

Атомните орбитали могат да бъдат представени под формата на квадратчета с електрони в тях, изобразени под формата на стрелки. Често стрелките, насочени нагоре и надолу, се използват, за да покажат, че тези частици са различни един от друг.

Необходимостта от наличие на различни електрони в атома е следствие от квантовата теория. Ако те са на различни орбитални - това е добре, но ако се намират на една, тогава трябва да има някаква фина разлика между тях. Квантовата теория дава възможност на частиците с свойство, наречено "въртене", което е посоката на стрелите.

1s-орбитата с два електрона е представена като квадрат с две стрелки нагоре и надолу, но може да се напише още по-бързо като 1s². Това се чете като "едно две", а не като "едно в квадрата". Не бъркайте номерата в тази нотация. Първото е енергийното ниво, а второто е броят на частиците на орбита.

хибридизация

В химия хибридизацията е концепцията за смесване на атомните орбитали в нови хибридни, способни да сдвоят електрони с образуването на химични връзки. Sp-хибридизацията обяснява химическите връзки на съединения като алкини. В този модел, атомните орбитали на въглерода 2s и 2p се смесват, образувайки две sp orbitals. Ацетилен С₂Н₂ се състои от sp-sp преплитането на два въглеродни атома с образуването на sigma - връзка и две допълнителни пи - ограничения.

Атомните въглеродни орбитали в наситените въглеводороди имат еднакъв хибриден sp³-Орбитите имат формата на гира, едната от които е много по-голяма от другата.

Sp²-хибридизацията е подобна на предходните и се формира чрез смесване на един и два р-орбитали. Например, в една молекула на етилена, три sp²- и един р-орбитал.

Атомни орбитали: принципът на пълнене

Представяйки преходите от един атом на друг в периодичната таблица на химическите елементи, може да се установи електронната структура на следващия атом чрез поставяне на допълнителна частица в следващата налична орбита.

Електроните, преди да напълнят по-високите нива на енергия, заемат по-ниската, разположена по-близо до сърцевината. Където има избор, те запълват орбитата отделно.

Този ред на попълване е известен като правило Hund. Той се прилага само когато атомните орбитали имат еднакви енергии и също така помагат да се сведе до минимум отблъскването между електроните, което прави атома по-стабилен.

Трябва да се отбележи, че s-орбитата винаги има малко по-ниска енергия от p на същото енергийно ниво, така че първото винаги да се запълва преди последното.

Това, което е наистина странно, е позицията на 3d орбитата. Те са на по-високо ниво от 4s и следователно 4s орбитални са попълнени първо, а след това всички 3d и 4p орбитални.

Същото объркване се случва и на по-високи нива с по-голямо преплитане между тях. Следователно, например, атомните орбитални 4f не се запълват, докато всички места на 6s са заети.

Знанието за реда на попълване е от съществено значение за разбирането как да се опишат електронните структури.