ATOMISET KIERTORADAT: MISTÄ NE KOOSTUVAT JA TYYPIT - KEMIA - 2026

Atomiorbitaali ovat näiden alueiden atomin määritelty aaltofunktiolla elektroneja. Aaltofunktiot ovat matemaattisia lausekkeita, jotka saadaan ratkaisemalla Schrödingerin yhtälö. Ne kuvaavat yhden tai useamman elektronin energiatilaa avaruudessa sekä sen löytämisen todennäköisyyttä.

Tämä fyysinen käsite, jota kemikot soveltavat sidoksen ja jaksotaulukon ymmärtämiseksi, pitää elektronia samanaikaisesti aallona ja hiukkasena. Siksi aurinkokunnan kuva hylätään, kun elektronit ovat planeettoja, jotka pyörivät kiertoradalla ytimen tai auringon ympäri.

Lähde: Haade, Wikimedia Commonsin kautta

Tämä vanhentunut visualisointi on hyödyllinen kuvaaessa atomin energiatasoja. Esimerkiksi: ympyrä, jota ympäröivät samankeskiset renkaat, jotka edustavat kiertoratoja, ja niiden staattiset elektronit. Itse asiassa tämä on kuva, jolla atomi esitellään lapsille ja nuorille.

Todellinen atomirakenne on kuitenkin liian monimutkainen edes karkean kuvan saamiseksi siitä.

Kun otetaan sitten elektroni aaltopartikkeliksi ja ratkaistaan ​​vetyatomin (yksinkertaisin järjestelmä kaikista) Schrödinger-erotusyhtälö, saatiin kuuluisat kvanttiluvut.

Nämä numerot osoittavat, että elektronit eivät voi varata mitään paikkaa atomissa, vaan vain niitä, jotka noudattavat erillistä ja kvantisoitua energiatasoa. Edellä mainitun matemaattinen lauseke tunnetaan aaltofunktiona.

Siten vetyatomista arvioitiin energiatilojen sarja, joita hallitsivat kvantiluvut. Näitä energiatiloja kutsuttiin atomiorbitaaleiksi.

Mutta nämä kuvasivat vain elektronin sijainnin vetyatomissa. Muille atomille, polyelektroniikka, heliumista eteenpäin tehtiin kiertoradan likiarvo. Miksi? Koska Schrödinger-yhtälön ratkaiseminen kahdella tai useammalla elektronilla olevilla atomilla on erittäin monimutkaista (jopa nykyisellä tekniikalla).

Mitkä ovat atomien kiertoradat?

Atomiorbitaalit ovat aaltofunktioita, jotka koostuvat kahdesta komponentista: yhdestä säteittäisestä ja yhdestä kulmasta. Tämä matemaattinen lauseke on kirjoitettu seuraavasti:

Ψ _NLML = R _nl (r) Y _lml (θφ)

Vaikka se aluksi voi tuntua monimutkaiselta, huomaa, että kvanttiluvut n, l ja ml on merkitty pienillä kirjaimilla. Tämä tarkoittaa, että nämä kolme numeroa kuvaavat kiertorataa. R _nl (r), joka tunnetaan paremmin nimellä säteen funktiona, riippuu nyyli; kun Y _lml (θφ), kulma-toiminto, riippuu l ja ml.

Matemaattisessa yhtälössä on myös muuttujia r, etäisyys ytimeen sekä θ ja ϕ. Kaikkien näiden yhtälöryhmien tulos on kiertoratojen fyysinen esitys. Kumpi? Yksi yllä olevasta kuvasta. Siellä esitetään joukko kiertoratoja, jotka selitetään seuraavissa kohdissa.

Niiden muodot ja rakenteet (eivät värit) tulevat aaltofunktioiden sekä niiden säteittäisten ja kulmakomponenttien kuvaajalta avaruudessa.

Radiaaliaalto

Kuten yhtälöstä nähdään, R _nl (r) riippuu sekä n: stä että l: stä. Joten radiaaliaalto-funktiota kuvaa pääenergian taso ja sen alatasot.

Jos elektroni voitaisiin kuvata suunnastaan ​​riippumatta, voidaan havaita äärettömän pieni piste. Sitten, ottamalla miljoonia valokuvia, voisi olla yksityiskohtaista, kuinka pistepilvi muuttuu etäisyyden mukaan ytimeen.

Tällä tavalla pilven tiheyttä etäisyydessä ja ytimen lähellä voidaan verrata. Jos sama toimenpide toistetaan, mutta toisella energiatasolla tai alitasolla, muodostuu uusi pilvi, joka sulkee edellisen. Näiden välillä on pieni tila, jossa elektronia ei koskaan sijoiteta; tätä kutsutaan radiaaliseksi solmuksi.

Lisäksi pilvissä on alueita, joilla on korkeampi ja pienempi elektronitiheys. Kun ne kasvavat ja kauempana ytimestä, niillä on enemmän radiaalisia solmuja; ja lisäksi etäisyys r, jossa elektroni pyörii useammin ja löytyy todennäköisemmin.

Kulma-aalto-toiminto

Taas on tunnettua yhtälöstä että Y _lml (θφ) on pääasiassa kuvataan kvanttiluvut l ja ml. Tällä kertaa se osallistuu magneettiseen kvanttilukuun, siksi elektronin suunta avaruudessa määritetään; ja tämä suunta voidaan piirtää matemaattisista yhtälöistä, jotka sisältävät muuttujat θ ja ϕ.

Nyt emme ota valokuvia, vaan tallennamme videon atomin elektronin etenemissuunnasta. Toisin kuin aikaisemmassa kokeessa, ei tiedetä tarkalleen missä elektroni on, mutta mihin se menee.

Elektronin liikkuessa se kuvaa tarkemmin määriteltyä pilviä; itse asiassa pallomainen hahmo tai lohkoinen, kuten kuvassa nähdyt. Lukujen tyyppi ja niiden suunta avaruudessa kuvataan l: llä ja ml: llä.

Ytimen lähellä on alueita, joissa elektroni ei kulje ja kuva katoaa. Tällaisia ​​alueita kutsutaan nurkasolmuiksi.

Jos esimerkiksi katsot ensimmäistä pallomaista kiertorataa, tulet nopeasti johtopäätökseen, että se on symmetrinen kaikkiin suuntiin; Näin ei kuitenkaan ole muiden orbitaalien tapauksessa, joiden muodot paljastavat tyhjät tilat. Nämä voidaan havaita Cartesian-tason lähtökohdassa ja lohkojen välisissä kuvitteellisissa tasoissa.

Todennäköisyys löytää elektroni ja kemiallinen sidos

Lähde: CK-12-säätiön kautta (Tiedosto: High School Chemistry.pdf, sivu 265), Wikimedia Commonsin kautta

Jotta voitaisiin määrittää todellinen todennäköisyys löytää elektroni kiertoradalta, on otettava huomioon kaksi toimintoa: säteittäinen ja kulma. Siksi ei riitä, että oletetaan kulmakomponentti, eli kiertoratojen havainnollistettu muoto, vaan myös se, kuinka niiden elektronitiheys muuttuu suhteessa etäisyyteen ytimestä.

Koska suunnat (ml) erottavat yhden kiertoradan toisesta, on käytännöllistä (vaikkakaan ei ehkä täysin oikein) harkita vain kiertoradan muotoa. Tällä tavalla kemiallisen sidoksen kuvaus selitetään näiden lukujen päällekkäisyyksillä.

Yllä on esimerkiksi vertaileva kuva kolmesta kiertoradalta: 1s, 2s ja 3s. Huomaa sen säteittäiset solmut sisällä. 1s: n kiertoradalla ei ole solmua, kun taas kahdella muulla on yksi ja kaksi solmua.

Kemiallista sidosta harkittaessa on helpompi pitää mielessä vain näiden kiertoratojen pallomainen muoto. Tällä tavalla ns-kiertorata lähestyy toista ja etäisyydellä r elektroni muodostaa sidoksen naapuriatomin elektroniin. Täältä syntyy useita teoreetikkoja (TEV ja TOM), jotka selittävät tämän yhteyden.

Kuinka niitä symboloidaan?

Atomipitoiset kiertoradat symboloidaan nimenomaisesti seuraavasti: nl _ml.

Kvanttilukuilla on kokonaislukuarvoja 0, 1, 2 jne., Mutta vain rajoitusten symbolisoimiseksi jäljellä on numeerinen arvo n. L: n kohdalla koko luku korvataan sitä vastaavalla kirjaimella (s, p, d, f); ja ml: n osalta muuttuva tai matemaattinen kaava (paitsi ml = 0).

Esimerkiksi 1s: n kiertoradalla: n = 1, s = 0 ja ml = 0. Sama koskee kaikkia ns-kiertoratoja (2s, 3s, 4s jne.).

Muiden kiertoratojen symboloimiseksi on tarpeen käsitellä niiden tyyppejä, jokaisella on omat energiatasot ja ominaisuudet.

Tyypit

Orbitaalit s

Kvantiluvut l = 0 ja ml = 0 (niiden säteittäisten ja kulmakomponenttien lisäksi) kuvaavat pallomaisen kiertoradan. Tämä johtaa alkuperäisen kuvan kiertoratojen pyramidia. Lisäksi, kuten säteittäisten solmujen kuvasta voidaan nähdä, voidaan odottaa, että 4s, 5s ja 6s kiertoradalla on kolme, neljä ja viisi solmua.

Niille on tunnusomaista, että ne ovat symmetrisiä ja niiden elektronit kokevat suuremman tehokkaan ydinvarauksen. Tämä johtuu siitä, että sen elektronit voivat tunkeutua sisäkuoriin ja leijua hyvin lähellä ydintä, mikä kiinnittää niitä positiivisesti.

Siksi on todennäköisyys, että 3s-elektroni voi tunkeutua 2s: n ja 1s: n kiertorataan lähestymään ydintä. Tämä seikka selittää, miksi atomin sp hybridi orbitaaleja on elektronegatiivinen (jossa on suurempi taipumus houkutella elektronitiheys sen viereisen atomia) kuin yksi sp ³ hybridisaatio.

Siten orbitaalien elektronit ovat niitä, jotka kokevat ytimen varautumisen eniten ja ovat energeettisesti stabiilempia. Yhdessä ne aiheuttavat suojavaikutuksen elektronien kanssa muissa alatasoissa tai kiertoradalla; ts. ne vähentävät syrjäisimpien elektronien todellista ydinvarausta Z.

Orbitaalit s

Lähde: David Manthey Wikipedian kautta

P-orbitaalien kvantiluku on l = 1 ja arvoilla ml = -1, 0, +1. Toisin sanoen elektroni voi näissä kiertoradalla kulkea kolmeen suuntaan, joita esitetään keltaisina käsipainoina (yllä olevan kuvan mukaan).

Huomaa, että jokainen käsipaino on suorakulmainen x-, y- ja z-akselia pitkin. Siksi sitä x-akselilla sijaitsevaa p-orbitaalia kutsutaan p _{x: ksi}; yksi y, p _y- akselilla; ja jos se osoittaa kohtisuorassa xy-tasoon nähden, ts. z-akselilla, niin se on p _z.

Kaikki kiertoradat ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden, ts. Ne muodostavat 90º kulman. Samoin kulmafunktio katoaa ytimestä (Cartesian akselin alkuperä), ja on vain todennäköisyys löytää elektroni lohkoista (joiden elektronitiheys riippuu säteittäisestä toiminnasta).

Huono suojausvaikutus

Näissä kiertoradalla olevat elektronit eivät pääse tunkeutumaan sisäkuoriin yhtä helposti kuin s-kiertoradat. Muotojaan verrattuna p-orbitaalit näyttävät olevan lähempänä ydintä; kuitenkin ns-elektroneja löytyy useammin ytimen ympäriltä.

Mikä on edellä esitetyn seuraus? Että np-elektroni kokee pienemmän tehokkaan ydinvarauksen. Lisäksi jälkimmäistä pienennetään edelleen s-kiertoratojen suojavaikutuksella. Tämä selittää, esimerkiksi, miksi atomin sp ³ hybridi-orbitaaleja on pienempi elektronegatiivinen kuin yksi sp ² tai sp orbitaalien.

On myös tärkeää huomata, että jokaisella käsipainolla on kulmasolmutaso, mutta ei säteittäisiä solmuja (vain 2p-kiertoradat). Eli jos se viipaloitaisiin, sisällä ei olisi kerroksia kuten 2s: n kiertoradalla; mutta 3p: n kiertoradasta eteenpäin, säteittäisiä solmuja alkaisi tarkkailla.

Nämä kulmasolmut vastaavat syrjäisimmistä elektroneista, joilla on huono suojausvaikutus. Esimerkiksi 2s-elektronit suojaavat 2p-kiertoradalla olevia parempia kuin 2p-elektronit suojaavat 3s-kiertoradalla olevia.

Px, Py ja Pz

Koska ml: n arvot ovat -1, 0 ja +1, kukin edustaa Px-, Py- tai Pz-kiertorataa. Yhteensä ne mahtuvat kuuteen elektroniin (kaksi kutakin kiertorataa kohti). Tämä tosiasia on ratkaisevan tärkeä ymmärrettäessä sähköistä kokoonpanoa, jaksotaulua ja elementtejä, jotka muodostavat ns. P-lohkon.

Orbitaalit d

Lähde: Hanilakkis0528, Wikimedia Commonsista

D-orbitaalien arvot ovat l = 2 ja ml = -2, -1, 0, +1, +2. Siksi on viisi kiertorataa, jotka kykenevät pitämään yhteensä kymmentä elektronia. D-orbitaalien viisi kulmatoimintoa on esitetty yllä olevassa kuvassa.

Ensimmäisistä, 3D-orbitaaleista, puuttuu radiaalisia solmuja, mutta kaikilla muilla, paitsi d _z2- kiertoradalla, on kaksi solmua; ei kuvan tasoja, koska nämä osoittavat vain, mitkä akselit sijaitsevat apilalehden muotoisilla oransseilla lohkoilla. Kaksi solmutasoa ovat ne, jotka poikki kulkevat kohtisuorassa harmaan tasoon nähden.

Niiden muodot tekevät niistä vielä vähemmän tehokkaita tehokkaan ydinvarauksen suojaamiseksi. Miksi? Koska heillä on enemmän solmuja, joiden kautta ydin voi houkutella ulkoisia elektroneja.

Siksi kaikki d-orbitaalit vaikuttavat atomisäteiden vähemmän voimakkaaseen lisääntymiseen energiatasolta toiselle.

Kiertoradat f

Lähde: Geek3, kirjoittanut Wikimedia Commons

Lopuksi f-orbitaaleilla on kvanttilukemat arvoilla l = 3 ja ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. F orbitaalia on seitsemän, yhteensä neljätoista elektronia. Nämä kiertoradat ovat saatavissa jaksosta 6, symbolisoituna pinnallisesti nimellä 4f.

Kukin kulmafunktio edustaa lohkoja, joissa on monimutkaiset muodot ja useita solmutasoja. Siksi ne suojaavat ulkoisia elektroneja vielä vähemmän ja tämä ilmiö selittää niin kutsutun lantanidin supistumisen.

Tästä syystä raskaiden atomien atomien sädeissä ei ole voimakasta vaihtelua tasolta n toiselle n + 1 (esimerkiksi 6n - 7n). Tähän päivään mennessä 5f: n kiertoradat ovat viimeisimmät löydetyt luonnollisista tai keinotekoisista atomeista.

Kaikkia tätä ajatellen aukko, joka tunnetaan nimellä kiertorata, ja kiertoradalle. Vaikka tosiasiallisesti ne ovat samanlaisia, todellisuudessa ne ovat hyvin erilaisia.

Atomaisen kiertoradan käsite ja kiertoradan lähentäminen ovat mahdollistaneet selittää kemiallisen sidoksen ja kuinka se voi tavalla tai toisella vaikuttaa molekyylin rakenteeseen.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos., S. 13-8). Mc Graw Hill.
2. Harry B. Gray. (1965). Elektronit ja kemiallinen sitoutuminen. WA Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube. (SF). Atomiaalit ja kiertoradat. Palautettu osoitteesta: quimitube.com
4. Nave CR (2016). Visuaalinen elektronien kiertoradat. Palautettu: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Atomic orbitals. Palautettu: kemguide.co.uk
6. Kvanttitarinoita. (26. elokuuta 2011). Atomikiertoradat, lukion valhe. Palautettu osoitteesta: cuentos-cuanticos.com