Các orbital nguyên tử là gì?

Trong Hóa học và Vật lý của các orbital nguyên tử - một chức năng gọi là sóng, trong đó mô tả các tính chất đặc trưng của không quá hai electron trong vùng lân cận của hạt nhân nguyên tử hoặc hạt nhân của hệ thống như trong phân tử. Orbital thường được mô tả như một khu vực ba chiều trong đó có một xác suất 95 phần trăm của việc tìm kiếm electron.

Quỹ đạo và quỹ đạo

Khi một hành tinh di chuyển xung quanh Mặt Trời, nó vạch ra một con đường được gọi là quỹ đạo. Tương tự nguyên tử có thể được biểu diễn dưới dạng các electron, khoanh tròn trong quỹ đạo xung quanh hạt nhân. Trong thực tế, mọi thứ đều khác nhau, và các electron là trong các lĩnh vực không gian được gọi là orbital nguyên tử. Hóa học nội dung nguyên tử đơn giản hóa mô hình tính toán cho làn sóng của phương trình Schrödinger và do đó xác định trạng thái có thể của electron.

Quỹ đạo và quỹ đạo âm thanh tương tự, nhưng họ có ý nghĩa hoàn toàn khác nhau. Nó là rất quan trọng để hiểu sự khác biệt giữa chúng.

Hình ảnh không thể quay quanh

Để xây dựng quỹ đạo của một cái gì đó, bạn cần phải biết chính xác nơi mà các đối tượng là, và có thể để xác định nơi nó sẽ được trong một khoảnh khắc. Đây không phải là có thể cho một electron.

Theo nguyên lý bất định Heisenberg, nó là không thể biết chính xác nơi mà các hạt là vào lúc này và nơi nó sẽ được sau đó. (Trong thực tế, các nguyên tắc nói rằng không thể để xác định cùng một lúc và với sự chắc chắn tuyệt đối của đà và động lực của nó).

Vì vậy, nó là không thể xây dựng một chuyển động quỹ đạo của electron xung quanh hạt nhân. Đây có phải là một vấn đề lớn? Không. Nếu có điều gì là không thể, nó cần được thực hiện, và tìm cách để có được xung quanh.

Điện tử hydro - 1s-quỹ đạo

Giả sử có một hydro và tại một thời điểm nhất định được đồ họa in vị trí của một điện tử. Không lâu sau đó, các thủ tục được lặp lại, và người quan sát thấy rằng các hạt là ở một vị trí mới. Khi cô bước ra khỏi vị trí đầu tiên trong lần thứ hai, nó không được biết đến.

Nếu chúng ta tiếp tục hành động theo cách này, dần dần hình thành một loại 3D-map trong những nơi có khả năng nơi hạt.

Trong trường hợp của các nguyên tử hydro điện tử có thể ở bất cứ đâu trong một không gian hình cầu xung quanh hạt nhân. Sơ đồ cho thấy một mặt cắt ngang của không gian hình cầu.

95% thời gian (hoặc bất kỳ tỷ lệ khác, bởi vì một trăm phần trăm chắc chắn có thể cung cấp một kích thước vũ trụ), electron sẽ nằm trong khu vực không gian khá dễ dàng xác định đủ gần với lõi. một âm mưu như vậy được gọi là quỹ đạo. orbital nguyên tử - một vùng không gian trong đó có một electron.

ông ấy đang làm gì? Chúng tôi không biết, không thể biết, và vì vậy tôi chỉ cần bỏ qua các vấn đề! Chúng tôi chỉ có thể nói rằng nếu electron nằm trong một quỹ đạo đặc biệt, nó sẽ có một năng lượng nhất định.

Mỗi quỹ đạo có một cái tên.

Các không gian chiếm đóng bởi electron hydro gọi là 1s-quỹ đạo. Đơn vị ở đây có nghĩa là các hạt nằm ở gần cốt lõi của mức năng lượng. S chỉ ra hình dạng của quỹ đạo. S-quỹ đạo hình cầu đối xứng so với lõi - ít nhất là một quả cầu rỗng của một loại vật liệu khá dày đặc với một lõi ở trung tâm của nó.

2s

Tiếp theo quỹ đạo - 2s. Nó tương tự như 1s, ngoại trừ các khu vực có khả năng tìm thấy electron nhất là xa hơn từ hạt nhân. Đây là cấp độ năng lượng quỹ đạo thứ hai.

Nếu bạn nhìn kỹ, bạn sẽ nhận thấy rằng gần gũi hơn với các hạt nhân có thêm một khu vực mật độ electron cao hơn một chút ( "mật độ" là một cách khác để tham khảo các khả năng mà các hạt có mặt ở một nơi nào đó).

2s-electron (và 3s, 4s, và vân vân. D.) Dành một phần thời gian của họ là gần gũi hơn với trung tâm của nguyên tử hơn một mong chờ. Điều này dẫn đến một sự giảm nhẹ về năng lượng của họ trên s-quỹ đạo. Các địa điểm gần electron tiếp cận hạt nhân, ít năng lượng của họ.

3s-, 4s-quỹ đạo (và t. D.) Nằm ở vị trí xa hơn từ các nguyên tử trung tâm.

P-quỹ đạo

Không phải tất cả các electron sống s-quỹ đạo (trong thực tế, rất ít trong số đó là trên mạng). Vào ngày đầu tiên mức năng lượng là nơi duy nhất có sẵn cho họ là vị trí của 1s, 2s sự bổ sung thứ hai và 2p.

Quỹ đạo thuộc loại này xuất hiện nhiều hơn như 2 quả bóng giống hệt nhau được kết nối với nhau trong nhân. Sơ đồ cho thấy một hình ảnh mặt cắt của một vùng không gian 3 chiều. Một lần nữa, chương trình quỹ đạo duy nhất khu vực với một xác suất 95 phần trăm của việc tìm kiếm một điện tử duy nhất.

Nếu chúng ta tưởng tượng ra mặt phẳng nằm ngang đi qua lõi theo cách như vậy mà một phần của quỹ đạo sẽ được đặt trên mặt phẳng, và người kia dưới nó, sau đó là zero xác suất tìm thấy electron trong mặt phẳng này. Kể từ khi hạt chuyển động từ một phần khác, nếu anh ta sẽ không bao giờ có thể đi qua mặt phẳng vòng? Điều này là do bản chất sóng của nó.

Không giống như s-, p-quỹ đạo có định hướng nhất định.

Trên bất kỳ mức năng lượng có thể có ba quỹ đạo p hoàn toàn tương đương vuông góc với nhau. Chúng được tùy tiện được chỉ định bởi những biểu tượng p _x, p _y, và p _z. Vì vậy, làm cho thuận tiện - có nghĩa là gì các hướng dẫn của X, Y hoặc Z, nó được thay đổi liên tục, t nguyên tử để di chuyển một cách ngẫu nhiên trong không gian ...

P-quỹ đạo vào mức độ năng lượng thứ hai được gọi 2p _x 2p _y và 2p _z. Có tương tự quỹ đạo và làm theo _{- 3p x, 3p y, 3p} z, 4p x, 4p y, z 4p và vân vân.

Tất cả các cấp, trừ trường hợp đầu tiên, có p-quỹ đạo. Tại "cánh hoa" kéo cao hơn, với những nơi có khả năng nhất để tìm các electron ở một khoảng cách lớn hơn từ hạt nhân.

D- và e-quỹ đạo

Ngoài các s- và p-quỹ đạo, có hai bộ khác của quỹ đạo sẵn sàng cho các electron lên mức năng lượng cao hơn. Sự tồn tại khả năng thứ ba trong số năm d-quỹ đạo (với hình dạng phức tạp và tên) và 3s- và 3p-quỹ đạo _{(3p x, 3p y, 3p} z). Tổng cộng có 9 trong số họ ở đây.

Trong thứ tư, cùng với 4s và 4p và 4d xuất hiện thêm 7 f-quỹ đạo - chỉ có 16, cũng có sẵn trên tất cả các mức năng lượng cao hơn.

Trọ electron trong quỹ đạo

Một nguyên tử có thể được biểu diễn như một ngôi nhà rất ưa thích (giống như một kim tự tháp ngược) với nhân sống ở tầng trệt và phòng khác nhau trên các tầng trên chiếm đóng bởi các electron:

• ở tầng trệt chỉ có 1 phòng tắm (1s);
• thứ hai có bốn phòng (2s, 2p _x 2p _y và 2p _z);
• trên tầng thứ ba có 9 phòng (một 3s, ba 3p và lăm 3d-quỹ đạo) và vân vân.

Nhưng các phòng đều không phải là rất lớn. Mỗi trong số họ chỉ có thể chứa 2 electron.

Một cách thuận tiện để hiển thị các orbital nguyên tử trong đó các hạt là - là để vẽ một "tế bào học lượng tử."

tế bào học lượng tử

orbital nguyên tử có thể được biểu diễn như hình vuông với các electron trong đó, mô tả như mũi tên. Thường mũi tên hướng lên và xuống, được sử dụng để chứng minh rằng các hạt khác nhau.

Sự cần thiết của việc có electron khác nhau trong nguyên tử là một hệ quả của lý thuyết lượng tử. Nếu họ đang ở trong quỹ đạo khác nhau - đó là tốt, nhưng nếu chúng được đặt trong một, giữa chúng phải có một số khác biệt tinh tế. lý thuyết lượng tử cho các thuộc tính của các hạt, được gọi là "spin" - chỉ cần anh ấy và chỉ ra hướng của mũi tên.

electron 1s-quỹ đạo với hai mô tả như một hình vuông với hai mũi tên hướng lên và xuống, nhưng nó cũng có thể được ghi lại thậm chí nhiều hơn nhanh chóng như 1s ^2. Này được đọc là "một s hai" chứ không phải là "một s bình phương." Đừng nhầm lẫn những con số trong ký hiệu này. Nó biểu thị mức độ đầu tiên năng lượng, và lần thứ hai - số lượng hạt trên quỹ đạo.

lai

Trong hóa học, lai là khái niệm trộn orbital nguyên tử in new lai có khả năng cặp electron để tạo thành liên kết hóa học. Sp-lai giải thích sự liên kết hóa học của các hợp chất như alkyne. Trong mô hình này, các orbital nguyên tử của carbon và 2s 2p được pha trộn, tạo thành hai sp-quỹ đạo. Axetylen C ₂ H ₂ bao gồm sp-sp-xen kẽ hai nguyên tử carbon để tạo thành một σ-kết nối và thêm hai π trái phiếu Chính phủ.

Carbon orbital nguyên tử trong hydrocarbon bão hòa có cùng sp ³ lai quỹ đạo, quả tạ hình, một phần trong số đó là lớn hơn nhiều so với người kia.

Sp ² cũng tương tự như lai trước và được hình thành bằng cách trộn một s và hai p-quỹ đạo. Ví dụ, trong một phân tử etylen được hình thành ba sp ² - và một p-quỹ đạo.

orbital nguyên tử: điền nguyên tắc

Tưởng tượng hiệu ứng chuyển tiếp từ một nguyên tử khác trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, người ta có thể cài đặt các cấu trúc điện tử tiếp theo của một nguyên tử bằng cách đặt hạt ở những quỹ đạo có sẵn tiếp theo.

Electron, trước khi điền mức năng lượng cao hơn, chiếm thấp hơn, gần gũi hơn với lõi. Trong trường hợp có một sự lựa chọn, họ được làm đầy riêng quỹ đạo.

một thủ tục như vậy cho điền gọi là quy tắc Hund. Nó chỉ áp dụng khi các orbital nguyên tử có năng lượng bằng nhau và cũng giúp giảm thiểu lực đẩy giữa các electron, mà làm cho nguyên tử ổn định hơn.

Cần lưu ý rằng trong năng lượng s-quỹ đạo luôn nhỏ nhẹ hơn so với các huyện ở mức năng lượng tương tự, vì vậy đầu tiên luôn đầy trước khi cuối cùng.

Điều gì thực sự là kỳ lạ là vị trí 3d-quỹ đạo. Họ đang ở một mức độ cao hơn 4s, và do đó 4s-quỹ đạo được điền đầu tiên, và sau đó tất cả các 4p-quỹ đạo 3D của và.

nhầm lẫn tương tự xảy ra và ở các cấp độ cao hơn với một số lượng lớn các mũi khâu therebetween. Vì vậy, ví dụ, các orbital nguyên tử 4f không điền cho đến khi tất cả các ghế đều bị chiếm đóng tại 6s.

Kiến thức về các thủ tục điền là trung tâm của sự hiểu biết về làm thế nào để mô tả cấu trúc điện tử.