Apakah itu orbital atom?

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 05:36

Dalam kimia dan fizik, orbital atom ialah fungsi yang dipanggil fungsi gelombang yang menerangkan sifat ciri tidak lebih daripada dua elektron di sekitar nukleus atom atau sistem nukleus, seperti dalam molekul. Orbital sering digambarkan sebagai kawasan tiga dimensi di mana terdapat 95 peratus peluang untuk mencari elektron.

Orbital dan orbit

Apabila planet bergerak mengelilingi Matahari, ia mengesan laluan yang dipanggil orbit. Begitu juga, atom boleh diwakili sebagai elektron yang beredar dalam orbit mengelilingi nukleus. Sebenarnya, perkara adalah berbeza, dan elektron berada di kawasan ruang yang dikenali sebagai orbital atom. Kimia berpuas hati dengan model atom yang dipermudahkan untuk mengira persamaan gelombang Schrödinger dan, dengan itu, menentukan keadaan elektron yang mungkin.

Orbit dan orbital berbunyi serupa, tetapi ia mempunyai makna yang berbeza sama sekali. Adalah amat penting untuk memahami perbezaan antara mereka.

Mustahil untuk memaparkan orbit

Untuk merancang trajektori sesuatu, anda perlu mengetahui dengan tepat di mana objek itu beradaterletak, dan dapat menentukan di mana ia akan berada sebentar lagi. Ini mustahil untuk elektron.

Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, adalah mustahil untuk mengetahui dengan tepat di mana zarah berada pada masa ini dan di mana ia akan berada kemudian. (Malah, prinsip itu mengatakan bahawa adalah mustahil untuk menentukan secara serentak dan dengan ketepatan mutlak momentum dan momentumnya).

Oleh itu, adalah mustahil untuk membina orbit elektron di sekeliling nukleus. Adakah ini masalah besar? Tidak. Jika sesuatu tidak boleh dilakukan, ia harus diterima dan cara mengatasinya harus dicari.

Elektron hidrogen – orbital 1s

Andaikan terdapat satu atom hidrogen dan pada masa tertentu kedudukan satu elektron dicetak secara grafik. Tidak lama selepas itu, prosedur diulang dan pemerhati mendapati bahawa zarah berada dalam kedudukan baru. Bagaimana dia mendapat tempat pertama ke tempat kedua tidak diketahui.

Jika anda meneruskan dengan cara ini, anda akan secara beransur-ansur membentuk sejenis peta 3D di mana zarah itu berkemungkinan berada.

Dalam kes atom hidrogen, elektron boleh berada di mana-mana sahaja dalam ruang sfera mengelilingi nukleus. Rajah menunjukkan keratan rentas ruang sfera ini.

95% daripada masa (atau mana-mana peratusan lain, kerana hanya saiz alam semesta yang boleh memberikan kepastian seratus peratus) elektron akan berada dalam kawasan ruang yang agak mudah ditentukan, cukup dekat dengan nukleus. Kawasan sedemikian dipanggil orbital. Orbital atom ialahkawasan ruang di mana elektron wujud.

Apa yang dia buat di sana? Kami tidak tahu, kami tidak boleh tahu, dan oleh itu kami mengabaikan masalah ini! Kita hanya boleh mengatakan bahawa jika elektron berada dalam orbital tertentu, maka ia akan mempunyai tenaga tertentu.

Setiap orbital mempunyai nama.

Ruang yang diduduki oleh elektron hidrogen dipanggil orbital 1s. Unit di sini bermaksud zarah berada pada tahap tenaga yang paling hampir dengan nukleus. S menceritakan tentang bentuk orbit. Orbital-S adalah simetri sfera mengenai nukleus - sekurang-kurangnya seperti bola berongga bahan yang agak padat dengan nukleus di tengahnya.

2s

Orbital seterusnya ialah 2s. Ia serupa dengan 1s, kecuali lokasi elektron yang paling mungkin adalah lebih jauh dari nukleus. Ini ialah orbital tahap tenaga kedua.

Jika anda melihat dengan teliti, anda akan mendapati bahawa lebih dekat dengan nukleus terdapat kawasan lain yang mempunyai ketumpatan elektron lebih tinggi sedikit ("ketumpatan" ialah satu lagi cara untuk menunjukkan kebarangkalian bahawa zarah ini terdapat di tempat tertentu).

Elektron

2s (dan 3s, 4s, dsb.) menghabiskan sebahagian masanya lebih dekat dengan pusat atom daripada yang dijangkakan. Hasil daripada ini adalah sedikit penurunan dalam tenaga mereka dalam orbital-s. Semakin dekat elektron dengan nukleus, semakin rendah tenaganya.

3s-, 4s-orbital (dan seterusnya) semakin jauh dari pusat atom.

P-orbital

Tidak semua elektron hidup dalam orbital s (malah, sangat sedikit daripada mereka yang hidup). Pada tahap tenaga pertama, satu-satunya lokasi yang tersedia untuk mereka ialah 1s, pada tahap kedua, 2s dan 2p ditambah.

Orbital jenis ini lebih seperti 2 belon yang sama, bersambung antara satu sama lain di teras. Rajah menunjukkan keratan rentas kawasan 3 dimensi ruang. Sekali lagi, orbital hanya menunjukkan kawasan dengan peluang 95 peratus untuk mencari satu elektron.

Jika kita membayangkan satah mendatar yang melalui nukleus sedemikian rupa sehingga satu bahagian orbit akan berada di atas satah dan satu lagi di bawahnya, maka terdapat kebarangkalian sifar untuk mencari elektron pada satah ini. Jadi bagaimana zarah boleh pergi dari satu bahagian ke bahagian lain jika ia tidak boleh melalui satah nukleus? Ini disebabkan sifat gelombangnya.

Berbeza dengan s-, orbital p mempunyai arah tertentu.

Di mana-mana tahap tenaga, anda boleh mempunyai tiga orbital p yang setara mutlak terletak pada sudut tepat antara satu sama lain. Ia secara sewenang-wenangnya dilambangkan dengan simbol p_x, p_y dan p_z. Ini diterima untuk kemudahan - apa yang dimaksudkan dengan arah X, Y atau Z sentiasa berubah, kerana atom bergerak secara rawak di angkasa.

P-orbital pada tahap tenaga kedua dipanggil 2p_x, 2p_y dan 2p_{z. Terdapat orbital yang serupa pada yang berikutnya - 3p}x_{, 3p}y_{, 3p}z_{, 4px}, 4p_y,4p_z dan seterusnya.

Semua peringkat, kecuali yang pertama, mempunyai orbital-p. Pada tahap yang lebih tinggi, "kelopak" lebih memanjang, dengan kemungkinan besar lokasi elektron pada jarak yang lebih jauh dari nukleus.

d- dan orbital-f

Selain orbital s dan p, terdapat dua set orbital lain yang tersedia untuk elektron pada tahap tenaga yang lebih tinggi. Pada yang ketiga, mungkin terdapat lima orbital d (dengan bentuk dan nama yang kompleks), serta orbital 3s- dan 3p (3p_x, 3p_{y, 3p}z_{). Terdapat sejumlah 9 di sini.}

Pada yang keempat, bersama-sama dengan 4s dan 4p dan 4d, 7 orbital-f tambahan muncul - 16 secara keseluruhan, juga tersedia pada semua tahap tenaga yang lebih tinggi.

Penempatan elektron dalam orbital

Atom boleh dianggap sebagai rumah yang sangat mewah (seperti piramid terbalik) dengan nukleus yang tinggal di tingkat bawah dan pelbagai bilik di tingkat atas yang diduduki oleh elektron:

hanya terdapat 1 bilik di tingkat satu (1s);
di bilik kedua sudah ada 4 (2s, 2p_x, 2p_y dan 2p_z);
di tingkat tiga terdapat 9 bilik (satu 3s, tiga 3p dan lima orbital 3d) dan seterusnya.

Tetapi biliknya tidaklah besar. Setiap daripadanya hanya boleh memuatkan 2 elektron.

Cara mudah untuk menunjukkan orbit atom di mana zarah ini berada ialah dengan melukis "sel kuantum".

Sel kuantum

NuklearOrbital boleh diwakili sebagai segi empat sama dengan elektron di dalamnya ditunjukkan sebagai anak panah. Selalunya, anak panah atas dan bawah digunakan untuk menunjukkan bahawa zarah ini berbeza.

Keperluan untuk elektron yang berbeza dalam atom adalah akibat daripada teori kuantum. Jika ia berada dalam orbital yang berbeza, tidak mengapa, tetapi jika ia berada dalam orbit yang sama, maka mesti ada sedikit perbezaan di antara mereka. Teori kuantum memberikan zarah dengan sifat yang dipanggil "putaran", yang merujuk kepada arah anak panah.

Orbital

1s dengan dua elektron ditunjukkan sebagai segi empat sama dengan dua anak panah menghala ke atas dan ke bawah, tetapi ia juga boleh ditulis dengan lebih pantas sebagai 1s². Ia berbunyi "satu s dua", bukan "satu s kuasa dua". Nombor dalam tatatanda ini tidak boleh dikelirukan. Yang pertama ialah tahap tenaga, dan yang kedua ialah bilangan zarah setiap orbit.

Hibridisasi

Dalam kimia, hibridisasi ialah konsep mencampurkan orbital atom menjadi orbital hibrid baharu yang mampu memasangkan elektron untuk membentuk ikatan kimia. Hibridisasi Sp menerangkan ikatan kimia sebatian seperti alkuna. Dalam model ini, orbital atom karbon 2s dan 2p bercampur untuk membentuk dua orbital sp. Asetilena C₂H₂ terdiri daripada jalinan sp-sp dua atom karbon dengan pembentukan ikatan-σ dan dua ikatan π tambahan.

Orbital atom karbon dalam hidrokarbon tepu mempunyaihibrid sp³-orbital yang serupa berbentuk seperti dumbbell, satu bahagian daripadanya jauh lebih besar daripada yang lain.

Sp²-hibridisasi adalah serupa dengan yang sebelumnya dan terbentuk dengan mencampurkan satu s dan dua orbital p. Contohnya, dalam molekul etilena, tiga sp²- dan satu orbital p terbentuk.

Orbital atom: prinsip pengisian

Membayangkan peralihan dari satu atom ke atom lain dalam jadual berkala unsur kimia, seseorang boleh mewujudkan struktur elektronik atom seterusnya dengan meletakkan zarah tambahan di orbit yang tersedia seterusnya.

Elektron, sebelum mengisi tahap tenaga yang lebih tinggi, menduduki yang lebih rendah yang terletak lebih dekat dengan nukleus. Jika ada pilihan, ia mengisi orbital secara individu.

Tempahan pengisian ini dikenali sebagai peraturan Hund. Ia hanya terpakai apabila orbital atom mempunyai tenaga yang sama, dan juga membantu meminimumkan tolakan antara elektron, menjadikan atom lebih stabil.

Perhatikan bahawa orbital s sentiasa mempunyai tenaga kurang sedikit daripada orbital p pada aras tenaga yang sama, jadi orbital s sentiasa terisi sebelum orbital p.

Apa yang pelik ialah kedudukan orbital 3d. Mereka berada pada tahap yang lebih tinggi daripada 4s, jadi orbital 4s diisi terlebih dahulu, diikuti oleh semua orbital 3d dan 4p.

Kekeliruan yang sama berlaku pada tahap yang lebih tinggi dengan lebih banyak jalinan di antaranya. Oleh itu, sebagai contoh, orbital atom 4f tidak diisi sehingga semua tempat pada6s.

Mengetahui susunan isian adalah penting untuk memahami cara menerangkan struktur elektronik.