U kemiji i fizici, atomske orbitale su funkcija koja se naziva valna funkcija koja opisuje svojstva karakteristična za najviše dva elektrona u blizini atomske jezgre ili sustava jezgri, kao u molekuli. Orbitala se često prikazuje kao trodimenzionalno područje unutar koje postoji 95 posto šanse da se pronađe elektron.
Orbitale i orbite
Kada se planet kreće oko Sunca, on prati put koji se zove orbita. Slično, atom se može predstaviti kao elektroni koji kruže po orbitama oko jezgre. Zapravo, stvari su drugačije, a elektroni su u područjima svemira poznatim kao atomske orbitale. Kemija se zadovoljava pojednostavljenim modelom atoma za izračunavanje Schrödingerove valne jednadžbe i, sukladno tome, određivanje mogućih 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 moći će za trenutak ustanoviti gdje će se nalaziti. To je nemoguće za elektron.
Prema Heisenbergovom principu nesigurnosti, nemoguće je točno znati gdje se čestica nalazi u ovom trenutku, a gdje će biti kasnije. (Zapravo, princip kaže da je nemoguće istovremeno i s apsolutnom točnošću odrediti njegov zamah i zamah).
Prema tome, nemoguće je izgraditi orbitu elektrona oko jezgre. Je li to veliki problem? Ne. Ako nešto nije moguće, treba to prihvatiti i pronaći puteve.
vodikov elektron – 1s-orbitala
Pretpostavimo da postoji jedan atom vodika i da je u određenom trenutku položaj jednog elektrona grafički utisnut. Ubrzo nakon toga, postupak se ponavlja i promatrač otkriva da je čestica u novom položaju. Kako je stigla s prvog mjesta na drugo nije poznato.
Ako nastavite na ovaj način, postupno ćete formirati neku vrstu 3D karte gdje će se čestica vjerojatno nalaziti.
U slučaju atoma vodika, elektron može biti bilo gdje unutar sfernog prostora koji okružuje jezgru. Dijagram prikazuje presjek ovog sfernog prostora.
95% vremena (ili bilo koji drugi postotak, budući da samo veličina svemira može pružiti stopostotnu sigurnost) elektron će biti unutar prilično lako definiranog područja prostora, dovoljno blizu jezgri. Takvo područje naziva se orbitala. Atomske orbitale supodručja prostora u kojima postoji elektron.
Što on radi tamo? Ne znamo, ne možemo znati i stoga jednostavno ignoriramo ovaj problem! Možemo samo reći da ako je elektron u određenoj orbitali, tada će imati određenu energiju.
Svaka orbitala ima ime.
Prostor koji zauzima elektron vodika naziva se 1s-orbitala. Jedinica ovdje znači da je čestica na energetskoj razini najbližoj jezgri. S govori o obliku orbite. S-orbitale su sferno simetrične oko jezgre - barem kao šuplja lopta od prilično gustog materijala s jezgrom u središtu.
2s
Sljedeća orbitala je 2s. Slično je 1s, osim što je najvjerojatnije mjesto elektrona dalje od jezgre. Ovo je orbitala druge energetske razine.
Ako pažljivo pogledate, primijetit ćete da se bliže jezgri nalazi još jedno područje nešto veće elektronske gustoće ("gustoća" je još jedan način naznačavanja vjerojatnosti da je ova čestica prisutna na određenom mjestu).
2s elektroni (i 3s, 4s, itd.) provode dio svog vremena mnogo bliže središtu atoma nego što bi se moglo očekivati. Rezultat toga je blagi pad njihove energije u s-orbitalama. Što se elektroni više približavaju jezgri, njihova energija postaje niža.
3s-, 4s-orbitale (i tako dalje) sve su dalje od središta atoma.
P-orbitale
Ne žive svi elektroni u s orbitalama (zapravo, vrlo malo njih živi). Na prvoj energetskoj razini, jedina dostupna lokacija za njih je 1s, na drugoj se dodaju 2s i 2p.
Orbite ovog tipa su više kao 2 identična balona, međusobno povezana u jezgri. Dijagram prikazuje poprečni presjek 3-dimenzionalne regije prostora. Opet, orbitala pokazuje samo područje s 95 posto šanse za pronalazak jednog elektrona.
Ako zamislimo horizontalnu ravninu koja prolazi kroz jezgru na takav način da će jedan dio orbite biti iznad ravnine, a drugi ispod nje, tada postoji nulta vjerojatnost da se na toj ravnini nađe elektron. Dakle, kako čestica dolazi iz jednog dijela u drugi ako nikada ne može proći kroz ravninu jezgre? To je zbog njegove valne prirode.
Za razliku od s-, p-orbitala ima određenu usmjerenost.
Na bilo kojoj energetskoj razini, možete imati tri apsolutno ekvivalentne p-orbitale smještene pod pravim kutom jedna prema drugoj. Oni su proizvoljno označeni simbolima px, py i pz. Ovo je prihvaćeno radi praktičnosti - ono što se podrazumijeva pod smjerovima X, Y ili Z stalno se mijenja, jer se atom nasumično kreće u prostoru.
P-orbitale na drugoj energetskoj razini nazivaju se 2px, 2py i 2pz. Postoje slične orbitale na sljedećim - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz i tako dalje.
Sve razine, osim prve, imaju p-orbitale. Na višim razinama, "latice" su izduženije, s najvjerojatnijim položajem elektrona na većoj udaljenosti od jezgre.
d- i f-orbitale
Osim s i p orbitala, postoje dva druga skupa orbitala dostupnih elektronima na višim energetskim razinama. 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, uz 4s i 4p i 4d, pojavljuje se 7 dodatnih f-orbitala - ukupno 16, također dostupnih na svim višim razinama energije.
Postavljanje elektrona u orbitale
Atom se može zamisliti kao vrlo otmjena kuća (poput obrnute piramide) s jezgrom koja živi u prizemlju i raznim sobama na gornjim katovima koje zauzimaju elektroni:
- na prvom katu postoji samo 1 soba (1s);
- u drugoj sobi već postoje 4 (2s, 2px, 2py i 2pz);
- na trećem katu 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.
Prikladan način da se pokažu atomske orbite u kojima se nalaze ove čestice je crtanje "kvantnih stanica".
Kvantne ćelije
NuklearnaOrbitale se mogu predstaviti kao kvadrati s elektronima u njima prikazanim strelicama. Često se strelice gore i dolje koriste da pokažu da su te čestice različite.
Potreba za različitim elektronima u atomu posljedica je kvantne teorije. Ako su u različitim orbitama, 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 što se odnosi smjer strelica.
1s orbitala s dva elektrona prikazana je kao kvadrat s dvije strelice usmjerene gore i dolje, ali se također može napisati još brže kao 1s2. Piše "jedan s dva", a ne "jedan s na kvadrat". Brojeve u ovim oznakama ne treba miješati. Prva je razina energije, a druga je broj čestica po orbiti.
Hibridizacija
U kemiji, hibridizacija je koncept miješanja atomskih orbitala u nove hibridne orbitale sposobne za uparivanje elektrona kako bi se stvorile kemijske veze. Sp hibridizacija objašnjava kemijske veze spojeva kao što su alkini. U ovom modelu, 2s i 2p atomske orbitale ugljika miješaju se da tvore dvije sp orbitale. Acetilen C2H2 sastoji se od sp-sp isprepletenosti dvaju ugljikovih atoma uz stvaranje σ-veze i dvije dodatne π-veze.
Atomske orbitale ugljika u zasićenim ugljikovodicima imajuidentični hibridni sp3-orbitale u obliku bučice, čiji je jedan dio mnogo veći od drugog.
Sp2-hibridizacija je slična prethodnoj i nastaje miješanjem jedne s i dvije p-orbitale. Na primjer, u molekuli etilena formiraju se tri sp2- i jedna p-orbitala.
Atomske orbitale: princip punjenja
Zamišljajući prijelaze s jednog atoma na drugi u periodnom sustavu kemijskih elemenata, može se uspostaviti elektronička struktura sljedećeg atoma postavljanjem dodatne čestice u sljedeću dostupnu orbitu.
Elektroni, prije nego što popune više razine energije, zauzimaju niže koje se nalaze bliže jezgri. Gdje postoji izbor, oni popunjavaju orbitale pojedinačno.
Ovaj redoslijed popunjavanja poznat je kao Hundovo pravilo. Primjenjuje se samo kada atomske orbitale imaju jednake energije, a također pomaže minimizirati odbojnost između elektrona, čineći atom stabilnijim.
Imajte na umu da s-orbitala uvijek ima nešto manje energije od p orbitale na istoj energetskoj razini, tako da se prva uvijek napuni prije druge.
Ono što je stvarno čudno je položaj 3d orbitala. Oni su na višoj razini od 4s, pa se prvo popunjavaju 4s orbitale, a zatim sve 3d i 4p orbitale.
Ista zbrka javlja se na višim razinama s više tkanja između. Stoga, na primjer, 4f atomske orbitale nisu popunjene sve dok sva mjesta na6s.
Poznavanje redoslijeda popunjavanja ključno je za razumijevanje kako opisati elektroničke strukture.
