Химия мен физикада атомдық орбитальдар молекуладағы сияқты атом ядросы немесе ядролар жүйесіне жақын жерде екіден көп емес электрондарға тән қасиеттерді сипаттайтын толқындық функция деп аталатын функция болып табылады. Орбиталь жиі үш өлшемді аймақ ретінде бейнеленген, оның ішінде электронды табу мүмкіндігі 95%.
Орбитальдар мен орбиталар
Планета Күнді айнала қозғалғанда, ол орбита деп аталатын жолды ұстайды. Сол сияқты атомды ядроның айналасындағы орбиталарда айналатын электрондар ретінде көрсетуге болады. Іс жүзінде заттар әртүрлі және электрондар атомдық орбитальдар деп аталатын кеңістік аймақтарында болады. Химия Шредингер толқындық теңдеуін есептеу және сәйкесінше электронның мүмкін күйлерін анықтау үшін атомның жеңілдетілген үлгісімен қанағаттанады.
Орбита мен орбиталь дыбыстары ұқсас, бірақ олардың мағынасы мүлде басқа. Олардың арасындағы айырмашылықты түсіну өте маңызды.
Орбиталарды көрсету мүмкін емес
Бір нәрсенің траекториясын сызу үшін объектінің қай жерде екенін нақты білу керекорналасады және оның қай жерде болатынын бір сәтте анықтай алады. Бұл электрон үшін мүмкін емес.
Гейзенбергтің белгісіздік принципі бойынша бөлшектің дәл қазір қайда екенін және кейінірек қайда болатынын білу мүмкін емес. (Шын мәнінде, принцип оның импульсі мен импульсін бір уақытта және абсолютті дәлдікпен анықтау мүмкін емес екенін айтады).
Сондықтан ядроның айналасында электронның орбитасын салу мүмкін емес. Бұл үлкен мәселе ме? Жоқ. Егер бірдеңе мүмкін болмаса, оны қабылдап, оны айналып өтудің жолдарын табу керек.
Сутегі электроны – 1s-орбиталь
Бір сутегі атомы бар және белгілі бір уақытта бір электронның орны графикалық түрде басып шығарылды делік. Көп ұзамай процедура қайталанады және бақылаушы бөлшектің жаңа күйде екенін анықтайды. Оның бірінші орыннан екінші орынға қалай жеткені белгісіз.
Осылай жалғастырсаңыз, бірте-бірте бөлшектің болуы мүмкін 3D картасының түрін құрасыз.
Сутегі атомы жағдайында электрон ядроны қоршап тұрған сфералық кеңістіктің кез келген жерінде болуы мүмкін. Диаграмма осы сфералық кеңістіктің көлденең қимасын көрсетеді.
95% уақыт (немесе кез келген басқа пайыз, өйткені ғаламның өлшемі ғана жүз пайыз сенімділікті қамтамасыз ете алады) электрон ядроға жеткілікті жақын, оңай анықталған кеңістік аймағында болады. Мұндай аймақты орбиталь деп атайды. Атомдық орбитальдарэлектрон бар кеңістік аймақтары.
Ол жерде не істеп жүр? Біз білмейміз, біле алмаймыз, сондықтан біз бұл мәселені елемейміз! Егер электрон белгілі бір орбитальда болса, онда оның белгілі бір энергиясы болады деп ғана айта аламыз.
Әр орбиталдың аты бар.
Сутегі электроны алып жатқан кеңістік 1s-орбиталь деп аталады. Мұндағы бірлік бөлшектің ядроға жақын энергетикалық деңгейде екенін білдіреді. S орбитаның пішіні туралы айтады. S-орбитальдары ядроға қатысты сфералық симметриялы - кем дегенде ортасында ядросы бар жеткілікті тығыз материалдан тұратын қуыс шар тәрізді.
2сек
Келесі орбиталь 2с. Ол 1-ге ұқсас, тек электронның ең ықтимал орналасуы ядродан алысырақ. Бұл екінші энергетикалық деңгейдегі орбиталь.
Егер мұқият қарасаңыз, ядроға жақын жерде электрон тығыздығы сәл жоғарырақ басқа аймақ бар екенін байқайсыз («тығыздық» бұл бөлшектің белгілі бір жерде болу ықтималдығын көрсетудің тағы бір тәсілі).
2s электрондары (және 3s, 4s, т.б.) уақытының бір бөлігін атом орталығына күткеннен әлдеқайда жақынырақ өткізеді. Мұның нәтижесі - s-орбитальдардағы олардың энергиясының аздап төмендеуі. Электрондар ядроға жақындаған сайын олардың энергиясы азаяды.
3s-, 4s-орбитальдар (және т.б.) атом центрінен алшақтап барады.
P-орбитальдар
Барлық электрондар s орбитальдарында өмір сүрмейді (шын мәнінде олардың өте азы өмір сүреді). Бірінші қуат деңгейінде олар үшін жалғыз қолжетімді орын 1с, екіншісінде 2s және 2p қосылады.
Осы түрдегі орбитальдар бір-бірімен өзегімен байланысқан 2 бірдей шарға ұқсайды. Диаграмма кеңістіктің 3 өлшемді аймағының көлденең қимасын көрсетеді. Тағы да орбиталь жалғыз электронды табу мүмкіндігі 95% болатын аймақты ғана көрсетеді.
Егер біз ядро арқылы өтетін көлденең жазықтықты орбитаның бір бөлігі жазықтықтың үстінде, ал екіншісі одан төмен болатындай етіп елестетсек, онда бұл жазықтықта электронның табылу ықтималдығы нөлге тең болады.. Сонымен, бөлшек ядроның жазықтығынан ешқашан өте алмаса, бір бөліктен екінші бөлікке қалай өтеді? Бұл оның толқындық сипатына байланысты.
s- айырмашылығы, p-орбитал белгілі бір бағыттылыққа ие.
Кез келген энергия деңгейінде бір-біріне тік бұрышта орналасқан үш абсолютті эквивалентті p-орбитальдар болуы мүмкін. Олар ерікті түрде px, py және pz таңбаларымен белгіленеді. Бұл ыңғайлы болу үшін қабылданған - X, Y немесе Z бағыттары дегенді білдіретін нәрсе үнемі өзгеріп отырады, өйткені атом кеңістікте кездейсоқ қозғалады.
Екінші энергетикалық деңгейдегі P-орбитальдар 2px, 2py және 2pz деп аталады.. Келесі орбитальдарда ұқсас орбитальдар бар - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz және т.б.
Біріншіден басқа барлық деңгейлерде p-орбитальдары бар. Жоғары деңгейлерде «жапырақшалар» ұзартылған, электронның орналасуы ең ықтимал ядродан үлкенірек.
d- және f-орбитальдар
s және p орбитальдарынан басқа, жоғары энергия деңгейлеріндегі электрондар үшін қол жетімді тағы екі орбиталь жинағы бар. Үшіншісінде бес d-орбиталь (күрделі пішіндері мен атаулары бар), сондай-ақ 3s- және 3p-орбитальдар (3px, 3py болуы мүмкін., 3pz). Мұнда барлығы 9 бар.
Төртіншіде 4s және 4p және 4d-мен бірге 7 қосымша f-орбиталь пайда болады - барлығы 16, сонымен қатар барлық жоғары энергия деңгейлерінде қолжетімді.
Электрондардың орбитальдарда орналасуы
Атомды өте сәнді үй (төңкерілген пирамида сияқты) ретінде елестетуге болады, онда ядросы бірінші қабатта тұрады және жоғарғы қабаттарда әртүрлі бөлмелер электрондар алып жатыр:
- бірінші қабатта тек 1 бөлме бар (1с);
- екінші бөлмеде қазірдің өзінде 4 (2s, 2px, 2py және 2pz);
- үшінші қабатта 9 бөлме (бір 3с, үш 3p және бес 3d орбиталь) және т.б.
Бірақ бөлмелер өте үлкен емес. Олардың әрқайсысы тек 2 электрон ұстай алады.
Бұл бөлшектер орналасқан атомдық орбиталарды көрсетудің ыңғайлы жолы - «кванттық жасушаларды» салу.
Кванттық жасушалар
ЯдролықОрбитальдарды квадраттар түрінде көрсетуге болады, оларда электрондар көрсеткілер түрінде көрсетіледі. Көбінесе бұл бөлшектердің әртүрлі екенін көрсету үшін жоғары және төмен көрсеткілер пайдаланылады.
Атомдағы әртүрлі электрондардың қажеттілігі кванттық теорияның салдары болып табылады. Егер олар әртүрлі орбитальдарда болса, бұл жақсы, бірақ олар бір орбитада болса, олардың арасында кейбір нәзік айырмашылық болуы керек. Кванттық теория бөлшектерге көрсеткілердің бағытын көрсететін "айналдыру" деп аталатын қасиет береді.
Екі электроны бар
1s орбиталы екі көрсеткі жоғары және төмен бағытталған шаршы түрінде көрсетілген, бірақ оны 1s2 ретінде де жылдамырақ жазуға болады. Ол «бірдің квадраты» емес, «бірдің екісі» деп оқиды. Бұл белгілердегі сандарды шатастырмау керек. Біріншісі - энергия деңгейі, екіншісі - бір орбитальдағы бөлшектердің саны.
Гибридтеу
Химияда будандастыру – атомдық орбитальдарды химиялық байланыстар құру үшін электрондарды жұптастыруға қабілетті жаңа гибридті орбитальдарға араластыру түсінігі. Sp гибридизациясы алкиндер сияқты қосылыстардың химиялық байланыстарын түсіндіреді. Бұл модельде 2s және 2p көміртегі атомдық орбитальдары араласып, екі sp орбиталь құрайды. Ацетилен C2H2 σ-байланыстың және екі қосымша π-байланыстың түзілуімен екі көміртегі атомының sp-sp түйісуінен тұрады.
Қаныққан көмірсутектердегі көміртектің атомдық орбитальдары барбірдей гибридті sp3 - бір бөлігі екіншісінен әлдеқайда үлкен гантель тәрізді орбитальдар.
Sp2-гибридизация алдыңғыларға ұқсас және бір s және екі p-орбитальдарды араластыру арқылы түзіледі. Мысалы, этилен молекуласында үш sp2- және бір p-орбиталь түзіледі.
Атомдық орбитальдар: толтыру принципі
Химиялық элементтердің периодтық жүйесінде бір атомнан екінші атомға өтуді елестете отырып, келесі қол жетімді орбитаға қосымша бөлшекті орналастыру арқылы келесі атомның электрондық құрылымын орнатуға болады.
Электрондар жоғары энергия деңгейлерін толтырмас бұрын, ядроға жақын орналасқан төменгі деңгейлерді алады. Таңдау бар жерде олар орбитальдарды жеке толтырады.
Бұл толтыру тәртібі Хунд ережесі ретінде белгілі. Ол атомдық орбитальдардың энергиялары бірдей болғанда ғана қолданылады, сонымен қатар электрондар арасындағы кері итеруді азайтуға көмектеседі, атомды тұрақтырақ етеді.
С-орбиталь әрқашан бірдей энергия деңгейіндегі p орбиталынан сәл аз энергияға ие болатынын ескеріңіз, сондықтан біріншісі әрқашан екіншісінен бұрын толтырылады.
Бір қызығы, 3D орбитальдарының орналасуы. Олар 4s-тен жоғары деңгейде, сондықтан алдымен 4s орбитальдары, одан кейін барлық 3d және 4p орбитальдары толтырылады.
Бірдей шатасу жоғары деңгейлерде орын алады, олардың арасында көбірек тоқу бар. Сондықтан, мысалы, 4f атомдық орбитальдар барлық орындарға дейін толтырылмайды6 секунд.
Толтыру ретін білу электронды құрылымдарды қалай сипаттау керектігін түсіну үшін маңызды.
