În chimie și fizică, orbitalii atomici sunt o funcție numită funcție de undă care descrie proprietățile caracteristice a nu mai mult de doi electroni în vecinătatea unui nucleu atomic sau a unui sistem de nuclee, ca într-o moleculă. Un orbital este adesea descris ca o regiune tridimensională în care există o șansă de 95% de a găsi un electron.
Orbitali și orbite
Când o planetă se mișcă în jurul Soarelui, ea urmărește o cale numită orbită. În mod similar, un atom poate fi reprezentat ca electroni care circulă pe orbite în jurul nucleului. De fapt, lucrurile sunt diferite, iar electronii se află în regiuni ale spațiului cunoscute sub numele de orbitali atomici. Chimia se mulțumește cu un model simplificat al atomului pentru a calcula ecuația de undă Schrödinger și, în consecință, a determina stările posibile ale electronului.
Orbitele și orbitalii sună similar, dar au semnificații complet diferite. Este extrem de important să înțelegeți diferența dintre ele.
Imposibil de afișat orbitele
Pentru a trasa traiectoria a ceva, trebuie să știi exact unde este obiectuleste localizat și să poată stabili unde va fi într-un moment. Acest lucru este imposibil pentru un electron.
Conform principiului incertitudinii Heisenberg, este imposibil să știi exact unde se află o particulă în acest moment și unde va fi mai târziu. (De fapt, principiul spune că este imposibil să se determine simultan și cu o acuratețe absolută impulsul și impulsul acestuia).
De aceea, este imposibil să construiți o orbită a electronului în jurul nucleului. Este aceasta o mare problemă? Nu. Dacă ceva nu este posibil, ar trebui acceptat și ar trebui găsite modalități de a o evita.
Electron de hidrogen – orbital 1s
Să presupunem că există un atom de hidrogen și la un anumit moment în timp poziția unui electron este imprimată grafic. La scurt timp după aceea, procedura se repetă și observatorul constată că particula se află într-o nouă poziție. Cum a ajuns de la primul loc la al doilea nu se știe.
Dacă continuați în acest fel, veți forma treptat un fel de hartă 3D a locului unde este probabil să fie particula.
În cazul atomului de hidrogen, electronul poate fi oriunde în spațiul sferic din jurul nucleului. Diagrama arată o secțiune transversală a acestui spațiu sferic.
95% din timp (sau orice alt procent, deoarece doar dimensiunea universului poate oferi o sută la sută certitudine) electronul se va afla într-o regiune a spațiului destul de ușor de definit, suficient de aproape de nucleu. O astfel de regiune se numește orbital. Orbitalii atomici suntregiuni ale spațiului în care există un electron.
Ce face el acolo? Nu știm, nu putem ști și, prin urmare, pur și simplu ignorăm această problemă! Putem spune doar că dacă un electron se află într-un anumit orbital, atunci va avea o anumită energie.
Fiecare orbital are un nume.
Spațiul ocupat de electronul de hidrogen se numește orbital 1s. Unitatea de aici înseamnă că particula se află la nivelul de energie cel mai apropiat de nucleu. S spune despre forma orbitei. Orbitalii S sunt simetrici sferic în jurul nucleului - cel puțin ca o minge goală de material destul de dens, cu un nucleu în centru.
2s
Următorul orbital este 2s. Este similar cu 1s, cu excepția faptului că locația cea mai probabilă a electronului este mai departe de nucleu. Acesta este un orbital al celui de-al doilea nivel de energie.
Dacă te uiți cu atenție, vei observa că mai aproape de nucleu există o altă regiune cu o densitate electronică puțin mai mare („densitatea” este un alt mod de a indica probabilitatea ca această particulă să fie prezentă într-un anumit loc).
Electronii
2s (și 3s, 4s etc.) își petrec o parte din timp mult mai aproape de centrul atomului decât ne-am putea aștepta. Rezultatul este o scădere ușoară a energiei lor în orbitalii s. Cu cât electronii se apropie mai mult de nucleu, cu atât energia lor devine mai mică.
3s-, 4s-orbitali (și așa mai departe) se îndepărtează de centrul atomului.
orbitali P
Nu toți electronii trăiesc în orbitali s (de fapt, foarte puțini dintre ei trăiesc). La primul nivel de energie, singura locație disponibilă pentru ei este 1s, la al doilea, se adaugă 2s și 2p.
Orbitalii de acest tip sunt mai degrabă ca 2 baloane identice, conectate între ele la miez. Diagrama prezintă o secțiune transversală a unei regiuni tridimensionale a spațiului. Din nou, orbital arată doar zona cu șanse de 95% de a găsi un singur electron.
Dacă ne imaginăm un plan orizontal care trece prin nucleu în așa fel încât o parte a orbitei să fie deasupra planului și ceal altă sub acesta, atunci există o probabilitate zero de a găsi un electron pe acest plan. Deci, cum ajunge o particulă dintr-o parte în alta dacă nu poate trece niciodată prin planul nucleului? Acest lucru se datorează naturii sale ondulate.
Spre deosebire de s-, p-orbital are o anumită direcționalitate.
La orice nivel de energie, puteți avea trei orbitali p absolut echivalenti situati în unghi drept unul față de celăl alt. Ele sunt notate în mod arbitrar prin simbolurile px, py și pz. Acest lucru este acceptat pentru comoditate - ceea ce se înțelege prin direcțiile X, Y sau Z se schimbă constant, deoarece atomul se mișcă aleatoriu în spațiu.
P-orbitalii de la al doilea nivel de energie se numesc 2px, 2py și 2pz. Există orbitali similare pe cele ulterioare - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz și așa mai departe.
Toate nivelurile, cu excepția primului, au orbitali p. La niveluri mai în alte, „petalele” sunt mai alungite, cu cea mai probabilă locație a electronului la o distanță mai mare de nucleu.
d- și f-orbitali
Pe lângă orbitalii s și p, există alte două seturi de orbitali disponibile pentru electronii la niveluri de energie mai ridicate. Pe al treilea, pot exista cinci orbitali d (cu forme și nume complexe), precum și orbitali 3s și 3p (3px, 3py, 3pz). Există un total de 9 aici.
În a patra, împreună cu 4s și 4p și 4d, apar 7 orbitali f suplimentari - 16 în total, disponibili și la toate nivelurile de energie mai în alte.
Plasarea electronilor în orbitali
Un atom poate fi gândit ca o casă foarte elegantă (ca o piramidă inversată) cu un nucleu care locuiește la parter și diferite încăperi la etajele superioare ocupate de electroni:
- există doar o cameră la primul etaj (1s);
- în a doua cameră sunt deja 4 (2s, 2px, 2py și 2pz);
- la etajul trei sunt 9 camere (una 3s, trei 3p și cinci orbitale 3d) și așa mai departe.
Dar camerele nu sunt foarte mari. Fiecare dintre ele poate conține doar 2 electroni.
O modalitate convenabilă de a arăta orbitele atomice în care se află aceste particule este de a desena „celule cuantice”.
celule cuantice
NuclearOrbitalii pot fi reprezentați ca pătrate cu electronii din ei indicați ca săgeți. Adesea, săgețile în sus și în jos sunt folosite pentru a arăta că aceste particule sunt diferite.
Nevoia de electroni diferiți într-un atom este o consecință a teoriei cuantice. Dacă sunt pe orbite diferiți, este în regulă, dar dacă sunt pe aceeași orbită, atunci trebuie să existe o diferență subtilă între ele. Teoria cuantică conferă particulelor o proprietate numită „rotire”, la care se referă direcția săgeților.
Orbitalul
1s cu doi electroni este afișat ca un pătrat cu două săgeți îndreptate în sus și în jos, dar poate fi scris și mai rapid ca 1s2. Se citește „unu s doi”, nu „unu s pătrat”. Numerele din aceste notații nu trebuie confundate. Primul este nivelul de energie, iar al doilea este numărul de particule pe orbital.
Hibridare
În chimie, hibridizarea este conceptul de amestecare a orbitalilor atomici în noi orbitali hibrizi capabili să împerecheze electronii pentru a forma legături chimice. Hibridizarea Sp explică legăturile chimice ale compușilor precum alchinele. În acest model, orbitalii atomici de carbon 2s și 2p se amestecă pentru a forma doi orbitali sp. Acetilena C2H2 constă dintr-o încurcare sp-sp a doi atomi de carbon cu formarea unei legături σ și a două legături π suplimentare.
Orbitalii atomici ai carbonului din hidrocarburile saturate auhibrizi identici sp3-orbitali în formă de gantere, dintre care o parte este mult mai mare decât ceal altă.
Sp2-hibridarea este similară cu cele anterioare și se formează prin amestecarea unui s și a doi p-orbitali. De exemplu, într-o moleculă de etilenă, se formează trei sp2- și un orbital p.
Orbitali atomici: principiu de umplere
Imaginând tranziții de la un atom la altul în tabelul periodic al elementelor chimice, se poate stabili structura electronică a următorului atom prin plasarea unei particule suplimentare pe următoarea orbită disponibilă.
Electronii, înainte de a umple nivelurile superioare de energie, ocupă pe cele inferioare situate mai aproape de nucleu. Acolo unde există o alegere, aceștia umplu orbitalii individual.
Această ordine de completare este cunoscută sub numele de regula lui Hund. Se aplică numai atunci când orbitalii atomici au energii egale și ajută, de asemenea, la minimizarea repulsiei dintre electroni, făcând atomul mai stabil.
Rețineți că orbitalul s are întotdeauna puțin mai puțină energie decât orbitalul p la același nivel de energie, astfel încât primul se umple întotdeauna înaintea celui din urmă.
Ceea ce este cu adevărat ciudat este poziția orbitalilor 3d. Ele sunt la un nivel mai în alt decât cei 4 și, prin urmare, orbitalii 4 se umplu mai întâi, urmați de toți orbitalii 3d și 4p.
Aceeași confuzie apare la niveluri mai în alte, cu mai multe țesături între ele. Prin urmare, de exemplu, orbitalii atomici 4f nu sunt umpluți până când toate locurile de pe6s.
Cunoașterea ordinii de umplere este esențială pentru înțelegerea modului de a descrie structurile electronice.
