U hemiji i fizici, atomske orbitale su funkcija koja se naziva talasna funkcija koja opisuje svojstva karakteristična za najviše dva elektrona u blizini atomskog jezgra ili sistema jezgara, kao u molekulu. Orbitala se često opisuje kao trodimenzionalni region unutar kojeg postoji 95 posto šanse da se pronađe elektron.
Orbitale i orbite
Kada se planeta kreće oko Sunca, ona prati putanju koja se zove orbita. Slično, atom se može predstaviti kao elektroni koji kruže po orbitama oko jezgra. U stvari, stvari su drugačije, a elektroni se nalaze u područjima svemira poznatim kao atomske orbitale. Hemija se zadovoljava pojednostavljenim modelom atoma kako bi izračunala Schrödingerovu talasnu jednačinu i, shodno tome, odredila moguća stanja elektrona.
Orbite i orbitale zvuče slično, ali imaju potpuno različita značenja. Izuzetno je važno razumjeti razliku između njih.
Nemoguće prikazati orbite
Da biste nacrtali putanju nečega, morate znati gdje se predmet nalazise nalazi, i biti u mogućnosti da ustanovi gdje će se nalaziti u trenutku. Ovo je nemoguće za elektron.
Prema Hajzenbergovom principu nesigurnosti, nemoguće je tačno znati gde se čestica nalazi u ovom trenutku, a gde će biti kasnije. (Zapravo, princip kaže da je nemoguće istovremeno i sa apsolutnom tačnošću odrediti njegov zamah i zamah).
Prema tome, nemoguće je izgraditi orbitu elektrona oko jezgra. Je li ovo veliki problem? br. Ako nešto nije moguće, to treba prihvatiti i pronaći načine da se to zaobiđe.
vodikov elektron – 1s-orbitala
Pretpostavimo da postoji jedan atom vodonika i da je u određenom trenutku položaj jednog elektrona grafički utisnut. Ubrzo nakon toga, postupak se ponavlja i posmatrač otkriva da je čestica u novom položaju. Kako je stigla sa prvog mjesta na drugo nije poznato.
Ako nastavite na ovaj način, postepeno ćete formirati neku vrstu 3D mape gdje će se čestica vjerovatno nalaziti.
U slučaju atoma vodonika, elektron može biti bilo gdje unutar sfernog prostora koji okružuje jezgro. Dijagram prikazuje poprečni presjek ovog sfernog prostora.
95% vremena (ili bilo koji drugi procenat, pošto samo veličina svemira može pružiti stopostotnu sigurnost) elektron će biti unutar prilično lako definisanog područja prostora, dovoljno blizu jezgra. Takvo područje se naziva orbitala. Atomske orbitale suoblasti prostora u kojima postoji elektron.
Šta on radi tamo? Ne znamo, ne možemo znati i stoga jednostavno ignorišemo ovaj problem! Možemo samo reći da ako je elektron na određenoj orbitali, onda će imati određenu energiju.
Svaka orbitala ima ime.
Prostor koji zauzima elektron vodonika naziva se 1s-orbitala. Jedinica ovdje znači da je čestica na energetskom nivou najbližem jezgru. S govori o obliku orbite. S-orbitale su sferno simetrične u odnosu na jezgro - barem kao šuplja lopta od prilično gustog materijala sa jezgrom u središtu.
2s
Sljedeća orbitala je 2s. Slično je 1s, osim što je najvjerovatnija lokacija elektrona dalje od jezgra. Ovo je orbitala drugog energetskog nivoa.
Ako dobro pogledate, primijetit ćete da se bliže jezgru nalazi još jedna regija nešto veće elektronske gustine ("gustina" je još jedan način da se naznači vjerovatnoća da je ova čestica prisutna na određenom mjestu).
2s elektroni (i 3s, 4s, itd.) provode dio svog vremena mnogo bliže centru atoma nego što bi se moglo očekivati. Rezultat toga je blagi pad njihove energije u s-orbitalama. Što se elektroni više približavaju jezgru, njihova energija postaje niža.
3s-, 4s-orbitale (i tako dalje) su sve dalje od centra atoma.
P-orbitale
Ne žive svi elektroni u s orbitalama (u stvari, vrlo malo njih živi). Na prvom energetskom nivou, jedina dostupna lokacija za njih je 1s, na drugom se dodaju 2s i 2p.
Orbite ovog tipa su više kao 2 identična balona, međusobno povezana u jezgru. Dijagram prikazuje poprečni presjek 3-dimenzionalne regije prostora. Opet, orbitala pokazuje samo područje sa 95 posto šanse da se pronađe jedan elektron.
Ako zamislimo horizontalnu ravan koja prolazi kroz jezgro na takav način da će jedan dio orbite biti iznad ravni, a drugi ispod nje, tada postoji nulta vjerovatnoća da se na ovoj ravni nađe elektron. Dakle, kako će čestica doći iz jednog dijela u drugi ako nikada ne može proći kroz ravan jezgra? To je zbog njegove talasne prirode.
Za razliku od s-, p-orbitala ima određenu usmjerenost.
Na bilo kom energetskom nivou, možete imati tri apsolutno ekvivalentne p-orbitale koje se nalaze pod pravim uglom jedna u odnosu na drugu. Oni su proizvoljno označeni simbolima px, py i pz. Ovo je prihvaćeno radi pogodnosti - ono što se podrazumijeva pod pravcima X, Y ili Z se stalno mijenja, jer se atom nasumično kreće u prostoru.
P-orbitale na drugom energetskom nivou nazivaju se 2px, 2py i 2pz. Slične orbitale postoje i na sljedećim - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz i tako dalje.
Svi nivoi, osim prvog, imaju p-orbitale. Na višim nivoima, "latice" su izduženije, sa najvjerovatnijim položajem elektrona na većoj udaljenosti od jezgra.
d- i f-orbitale
Pored s i p orbitala, postoje još dva skupa orbitala dostupnih elektronima na višim energetskim nivoima. Na trećem može biti pet d-orbitala (sa složenim oblicima i nazivima), kao i 3s- i 3p-orbitale (3px, 3py, 3pz). Ovdje ih ima ukupno 9.
Na četvrtom, zajedno sa 4s i 4p i 4d, pojavljuje se 7 dodatnih f-orbitala - ukupno 16, također dostupnih na svim višim nivoima energije.
Postavljanje elektrona u orbitale
Atom se može zamisliti kao vrlo fensi kuća (poput obrnute piramide) sa jezgrom koji živi u prizemlju i raznim prostorijama na gornjim spratovima koje zauzimaju elektroni:
- postoji samo 1 soba na prvom spratu (1s);
- u drugoj sobi već postoje 4 (2s, 2px, 2py i 2pz);
- na trećem spratu ima 9 soba (jedna 3s, tri 3p i pet 3d orbitala) i tako dalje.
Ali sobe nisu baš velike. Svaki od njih može zadržati samo 2 elektrona.
Pogodan način da se pokažu atomske orbite u kojima se nalaze ove čestice je crtanje "kvantnih ćelija".
Kvantne ćelije
NuklearnaOrbitale se mogu predstaviti kao kvadrati sa elektronima u njima prikazanim strelicama. Često se strelice gore i dolje koriste da pokažu da su ove čestice različite.
Potreba za različitim elektronima u atomu je posljedica kvantne teorije. Ako su na različitim orbitalama, to je u redu, ali ako su u istoj orbiti, onda mora postojati neka suptilna razlika između njih. Kvantna teorija daje česticama svojstvo zvano "spin", na šta se odnosi smjer strelica.
1s orbitala sa dva elektrona prikazana je kao kvadrat sa dve strelice usmerene nagore i nadole, ali se takođe može napisati još brže kao 1s2. Piše "jedan s dva", a ne "jedan s na kvadrat". Brojeve u ovim oznakama ne treba miješati. Prvi je nivo energije, a drugi je broj čestica po orbiti.
Hibridizacija
U hemiji, hibridizacija je koncept miješanja atomskih orbitala u nove hibridne orbitale sposobne za uparivanje elektrona da formiraju hemijske veze. Sp hibridizacija objašnjava hemijske veze jedinjenja kao što su alkini. U ovom modelu, 2s i 2p atomske orbitale ugljika se miješaju i formiraju dvije sp orbitale. Acetilen C2H2 sastoji se od sp-sp preplitanja dva atoma ugljenika sa formiranjem σ-veze i dve dodatne π-veze.
Atomske orbitale ugljenika u zasićenim ugljovodonicima imajuidentični hibridni sp3-orbitale u obliku bučice, čiji je jedan dio mnogo veći od drugog.
Sp2-hibridizacija je slična prethodnim i formira se miješanjem jedne s i dvije p-orbitale. Na primjer, u molekulu etilena formiraju se tri sp2- i jedna p-orbitala.
Atomske orbitale: princip punjenja
Zamišljajući prelaze iz jednog atoma u drugi u periodnom sistemu hemijskih elemenata, može se uspostaviti elektronska struktura sledećeg atoma postavljanjem dodatne čestice u sledeću dostupnu orbitu.
Elektroni, prije nego što popune više energetske nivoe, zauzimaju niže smještene bliže jezgru. Gdje postoji izbor, oni popunjavaju orbitale pojedinačno.
Ovaj nalog za popunjavanje poznat je kao Hundovo pravilo. Primjenjuje se samo kada atomske orbitale imaju jednake energije, a također pomaže da se minimizira odbijanje između elektrona, čineći atom stabilnijim.
Imajte na umu da s-orbitala uvijek ima nešto manje energije od p orbitale na istom energetskom nivou, tako da se prva uvijek napuni prije druge.
Ono što je stvarno čudno je položaj 3d orbitala. One su na višem nivou od 4s, tako da se prvo popunjavaju 4s orbitale, a zatim sve 3d i 4p orbitale.
Ista zbrka se javlja na višim nivoima sa više preplitanja između. Stoga, na primjer, 4f atomske orbitale nisu popunjene sve dok sva mjesta na6s.
Poznavanje redosleda popunjavanja je centralno za razumevanje kako opisati elektronske strukture.
