אורביטלים אטומיים: ממה הם מורכבים וסוגים - כִּימִיָה - 2025

אורביטל האטומי הם אלה אזורים של האטום המוגדר על ידי פונקציית גל עבור אלקטרונים. פונקציות גל הן ביטויים מתמטיים המתקבלים מפיתרון משוואת שרדינגר. אלה מתארים את מצב האנרגיה של אלקטרון אחד או יותר בחלל, כמו גם את ההסתברות למצוא אותו.

תפיסה פיזיקלית זו, המיושמת על ידי כימאים על מנת להבין את הקשר ואת הטבלה המחזורית, מחשיבה את האלקטרון כגל וחלקיק בו זמנית. לכן, התמונה של מערכת השמש מושלכת, כאשר האלקטרונים הם כוכבי לכת המסתובבים במסלולי סביב הגרעין או השמש.

מקור: מאת haade, באמצעות Wikimedia Commons

ויזואליזציה מיושנת זו מועילה כשמדגים את רמות האנרגיה של האטום. לדוגמא: מעגל מוקף בטבעות קונצנטריות המייצגות את המסלול, והאלקטרונים הסטטיים שלהם. למען האמת, זו הדימוי איתו מוצג האטום לילדים וצעירים.

עם זאת, המבנה האטומי האמיתי מורכב מכדי שאפילו יש לו תמונה גסה.

בהתחשב באלקטרון כאל חלקיקי גל ופתרון משוואת ההפרש של שרדינגר לאטום המימן (המערכת הפשוטה מכולן), התקבלו מספרים קוונטיים מפורסמים.

מספרים אלה מצביעים על כך שאלקטרונים אינם יכולים לתפוס מקום באטום, אלא רק כאלה הצייתים לרמת אנרגיה בדידה וממומחת. הביטוי המתמטי של האמור לעיל ידוע כפונקציה של גל.

לפיכך, מהאטום המימן הוערכה סדרה של מצבי אנרגיה הנשלטים על ידי מספרים קוונטיים. מצבי אנרגיה אלה נקראו אורביטלים אטומיים.

אך אלה רק תיארו את מקום הימצאו של אלקטרון באטום מימן. עבור אטומים אחרים, פוליאלקטרוניקה, מהליום ואילך, נעשתה קירוב מסלולי. למה? מכיוון שפתרון משוואת שרדינגר לאטומים עם שניים אלקטרוניים או יותר הוא מסובך מאוד (אפילו עם הטכנולוגיה הנוכחית).

מהם אורביטלים אטומיים?

אורביטלים אטומיים הם פונקציות גל המורכבות משני מרכיבים: אחד רדיאלי ואחד זוויתי. ביטוי מתמטי זה כתוב כ:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

למרות שזה נראה מסובך בהתחלה, שימו לב שמספרי הקוונטים n, l ו- ml מציינים באותיות קטנות. משמעות הדבר היא ששלושת המספרים הללו מתארים את מסלול המסלול. R _nl (r), הידוע יותר בשם התפקוד הרדיאלי, תלוי ב- nyl; ואילו Y _lml (θϕ), תפקוד זוויתי, תלוי ב- l וב- ml.

במשוואה המתמטית ישנם גם המשתנים r, המרחק לגרעין, ו- θ ו- ϕ. התוצאה של כל קבוצת המשוואות הזו היא ייצוג פיזי של המסללים. איזה מהם? זה שנראה בתמונה למעלה. שם מוצגת סדרת אורביטלים שתוסבר בסעיפים הבאים.

הצורות והעיצובים שלהם (לא הצבעים) מגיעים מהגרף של פונקציות הגל והמרכיבים הרדיאליים והזוויתיים שלהם בחלל.

פונקצית גל רדיאלי

כפי שניתן לראות במשוואה, R _nl (r) תלוי הן ב- n והן ב- l. אם כן, פונקציית הגל הרדיאלי מתוארת על ידי רמת האנרגיה העיקרית ותת התאים שלה.

אם ניתן היה לצלם את האלקטרון ללא קשר לכיוונו, ניתן היה לראות נקודה קטנה עד אינסוף. ואז, בצילום של מיליוני תמונות, ניתן לפרט כיצד ענן הנקודה משתנה כפונקציה של מרחק לליבה.

בדרך זו ניתן להשוות בין צפיפות הענן למרחק וליד הליבה. אם אותה פעולה הייתה חוזרת אך עם רמה אנרגית אחרת או תת-מישור, נוצר ענן אחר שתוחם את הקודם. בין השניים יש חלל קטן שבו האלקטרון לעולם אינו ממוקם; זה מה שמכונה צומת רדיאלי.

כמו כן, בעננים ישנם אזורים עם צפיפות אלקטרונים גבוהה יותר ונמוכה. ככל שהם הולכים וגדלים מהגרעין, יש להם צמתים רדיאליים יותר; יתר על כן, מרחק r בו האלקטרונים מסתובבים בתדירות גבוהה יותר וסביר להניח שהוא יימצא.

פונקצית גל זווית

שוב, ידוע מהמשוואה כי Y _lml (θϕ) מתואר בעיקר על ידי המספרים הקוונטים l ו- ml. הפעם הוא משתתף במספר הקוונטים המגנטי, לכן מוגדר כיוון האלקטרון בחלל; וכיוון זה ניתן לתרשים מהמשוואות המתמטיות הכוללות את המשתנים θ ו- ϕ.

כעת, אנו לא ממשיכים לצלם, אלא להקליט סרטון של מסלול האלקטרונים באטום. בניגוד לניסוי הקודם, לא ידוע בדיוק איפה האלקטרון נמצא, אלא לאן הוא הולך.

ככל שהאלקטרון נע, הוא מתאר ענן מוגדר יותר; למעשה, דמות כדורית, או אחת עם אונות, כמו אלה שנראו בתמונה. סוג הדמויות וכיוונן בחלל מתוארות על ידי l ו- ml.

ישנם אזורים, קרובים לגרעין, בהם האלקטרון אינו עובר והדמות נעלמת. אזורים כאלה מכונים צמתים פינתיים.

לדוגמה, אם אתה מסתכל על מסלול הכדור הראשון, אתה במהירות מגיע למסקנה שהוא סימטרי לכל הכיוונים; עם זאת, זה לא המקרה עם שאר האורביטלים, שצורותיהם חושפות חללים ריקים. ניתן לראות את אלה במקור המטוס הקרטזיאני, ובמטוסים הדמיוניים בין האונות.

הסתברות למציאת הקשר האלקטרוני והכימי

מקור: מאת קרן CK-12 (קובץ: High School Chemistry.pdf, עמוד 265), באמצעות ויקישיתוף

כדי לקבוע את ההסתברות האמיתית למציאת אלקטרון במסלול, יש לקחת בחשבון את שני הפונקציות: רדיאלי וזוויתי. לכן לא די בהנחה של המרכיב הזוויתי, כלומר הצורה המאויירת של האורביטלים, אלא גם כיצד צפיפות האלקטרונים שלהם משתנה ביחס למרחק מהגרעין.

עם זאת, מכיוון שההוראות (ml) מבדילות מסלול אחד למשנהו, זה מעשי (אם כי אולי לא לגמרי נכון) לשקול רק את צורת המסלול. באופן זה, תיאור הקשר הכימי מוסבר על ידי חפיפה של דמויות אלה.

לדוגמה, לעיל תמונה משווה של שלושה אורביטלים: 1s, 2s ו- 3s. שימו לב לצמתים הרדיאליים שבפנים. למסלול 1s אין צומת, בעוד לשניים האחרים יש צמתים ושניים.

כאשר בוחנים קשר כימי, קל יותר לזכור רק את הצורה הכדורית של האורביטלים הללו. באופן זה, המסלול ns מתקרב לאחר, ובמרחק r האלקטרון יהווה קשר עם האלקטרון של האטום השכן. מכאן עולים כמה תיאורטיקנים (TEV ו- TOM) שמסבירים את הקשר הזה.

איך הם מסומלים?

אורביטלים אטומיים מסומלים במפורש כ: nl _ml .

מספרים קוונטיים לוקחים ערכים שלמים 0, 1, 2 וכו ', אך כדי לסמל את האורביטלים נותר רק ערך מספרי n. בעוד שעבור l, כל המספר מוחלף באותיות המתאימות לו (ים, p, d, f); ועבור מיליליטר, נוסחה משתנה או מתמטית (למעט ml = 0).

לדוגמה, עבור מסלול ה- 1: n = 1, s = 0, ו- ml = 0. הדבר נכון גם לגבי כל ה- n Orbitals (2s, 3s, 4s וכו ').

כדי לסמל את שאר האורביטלים, יש צורך לתת מענה לסוגיהם, לכל אחד רמות ומאפייני אנרגיה משלו.

סוגים

אורביטלים

המספרים הקוונטים l = 0, ו- ml = 0 (בנוסף למרכיביהם הרדיאליים והזוויתיים) מתארים מסלול עם צורה כדורית. זה זה שעומד בראש פירמידת האורביטלים של התמונה הראשונית. כמו כן, כפי שניתן לראות בתמונת הצמתים הרדיאליים, ניתן לצפות כי במעגלים 4s, 5s ו- 6s יש שלושה, ארבעה וחמישה צמתים.

הם מאופיינים בכך שהם סימטריים והאלקטרונים שלהם חווים מטען גרעיני יעיל יותר. הסיבה לכך היא האלקטרונים שלה יכולים לחדור לקליפות פנימיות ולהרחף קרוב מאוד לגרעין, שמפעיל משיכה חיובית עליהם.

לפיכך, קיימת הסתברות שאלקטרון של 3s יכול לחדור למסלול ה- 2s ו- 1s, המתקרב לגרעין. עובדה זו מסבירה מדוע אטום עם אורביטלים sp היברידיים הוא אלקטרונגטיבי יותר (עם נטייה גדולה יותר למשוך צפיפות אלקטרונית מהאטומים השכנים שלו) מאשר אחד עם הכלאה sp ³ .

לפיכך, האלקטרונים באורביטלים הם אלה שחווים את הגרעין טעון הכי הרבה והם יציבים יותר מבחינה אנרגטית. יחד הם מפעילים השפעה מסוכנת על אלקטרונים בתת-תת או אורביטלים אחרים; כלומר, הם מורידים את המטען הגרעיני בפועל שחווים האלקטרונים החיצוניים ביותר.

Orbitals עמ '

מקור: דייוויד מנטהי דרך ויקיפדיה

האורביטלים p הם עם המספרים הקוונטים l = 1, ועם ערכים של ml = -1, 0, +1. כלומר, אלקטרון באורביטלים אלה יכול לקחת שלושה כיוונים, המיוצגים כמשקולות צהובות (על פי התמונה למעלה).

שים לב שכל משקולת נמצאת לאורך ציר x, y ו- z קרטזי. לפיכך, אותו מסלול p הממוקם על ציר ה- x נקרא p _x ; זה בציר _y , p _y ; ואם הוא מכוון בניצב למישור ה- xy, כלומר על ציר ה- z, אז הוא p _z .

כל האורביטלים בניצב זה לזה, כלומר הם יוצרים זווית של 90 מעלות. באופן דומה, התפקוד הזוויתי נעלם בגרעין (מקורו של הציר הקרטזי), ויש רק את ההסתברות למצוא את האלקטרון בתוך האונות (שצפיפות האלקטרונים שלו תלויה בתפקוד הרדיאלי).

אפקט מיגון רע

אלקטרונים באורביטלים אלה אינם יכולים לחדור לקליפות פנימיות באותה קלות כמו אורביטלים. בהשוואה בין צורותיהם, נראה כי האורביטלים p קרובים יותר לגרעין; עם זאת האלקטרונים ns נמצאים בתדירות גבוהה יותר סביב הגרעין.

מה התוצאה של האמור לעיל? כי אלקטרון np חווה מטען גרעיני נמוך יותר. יתר על כן, האחרון מצטמצם עוד יותר על ידי אפקט המגן של האורביטלים. זה מסביר, למשל, מדוע אטום עם sp ³ אורביטלים היברידיים הוא פחות אלקטרונטיבי מאשר אחד עם sp ² או sp orbitals .

חשוב גם לציין כי לכל משקולת יש מישור נקודתי זוויתי, אך אין צמתים רדיאליים (האורביטלים 2p בלבד). כלומר, אם היה פורס, לא היו שכבות בפנים כמו עם מסלול ה -2; אך החל מסלול המסלול 3p ואילך, צמתים רדיאליים יתחילו להתבונן.

צמתים זוויתיים אלו אחראים לאלקטרונים החיצוניים ביותר שחווים אפקט מיגון גרוע. לדוגמה, האלקטרונים של ה- 2 מגנים על אלו שבאורביטלים 2p טובים יותר מהאלקטרונים של ה- 2p שמגנים על אלה הנמצאים במסלול ה -3.

Px, Py ו- ​​Pz

מכיוון שהערכים של ml הם -1, 0 ו- +1, כל אחד מהם מייצג מסלול Px, Py או Pz. בסך הכל הם יכולים להכיל שישה אלקטרונים (שניים לכל מסלול). עובדה זו חיונית להבנת התצורה האלקטרונית, הטבלה המחזורית והרכיבים המרכיבים את מה שמכונה p-block.

אורביטלים ד

מקור: מאת Hanilakkis0528, מתוך Wikimedia Commons

האורביטלים d יש ערכים של l = 2, ו- ml = -2, -1, 0, +1, +2. יש אפוא חמישה אורביטלים המסוגלים להחזיק עשרה אלקטרונים בסך הכל. חמשת הפונקציות הזוויתיות של האורביטלים d מיוצגות בתמונה למעלה.

הראשונים, האורביטלים התלת-ממדיים, חסרי צמתים רדיאליים, אך לכל האחרים, למעט מסלול ה- d _z2 , שני מישורי nodal; לא את מטוסי התמונה, שכן אלה מראים רק באילו צירים נמצאים האונות הכתומות עם צורות של עלי תלתן. שני מטוסי הניוד הם אלה שחוצים בניצב למישור האפור.

הצורות שלהם הופכות אותם ליעילים עוד יותר בהגנה על המטען הגרעיני היעיל. למה? מכיוון שיש להם יותר צמתים, שדרכם הגרעין יכול למשוך אלקטרונים חיצוניים.

לכן כל האורביטלים d תורמים לעלייה פחות בולטת ברדיוסים האטומיים מרמת אנרגיה אחת לאחרת.

אורביטלים f

מקור: מאת Geek3, מ- Wikimedia Commons

לבסוף, למ orbitals f יש מספרים קוונטיים עם ערכים של l = 3, ו- ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. ישנם שבעה f אורביטלים, בסך הכל ארבעה עשר אלקטרונים. אורביטלים אלה נעשים זמינים מתקופה 6, המסומלים באופן שטחי כ -4f.

כל אחת מהפונקציות הזוויתיות מייצגת אונות בעלות צורות מורכבות וכמה מישורי nodal. לכן הם מגנים על האלקטרונים החיצוניים עוד פחות ותופעה זו מסבירה את מה שמכונה התכווצות לנטניד.

מסיבה זו, עבור אטומים כבדים אין וריאציה בולטת של הרדיוסים האטומיים שלהם מרמה אחת n לשנייה n + 1 (6n עד 7n, למשל). נכון להיום, האורביטלים 5f הם האחרונים שנמצאו באטומים טבעיים או מלאכותיים.

עם כל זה בחשבון, נפתח מפרץ בין מה שמכונה המסלול למסלול האורביטאלי. אמנם מבחינה טקסטואלית הם דומים, אך במציאות הם שונים מאוד.

הרעיון של המסלול האטומי והקירוב האורביטלי אפשרו להסביר את הקשר הכימי, וכיצד הוא יכול, בדרך זו או אחרת, להשפיע על המבנה המולקולרי.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (מהדורה רביעית. עמ '13-8). מק גריי היל.
2. הארי בי גריי. (1965). אלקטרונים וקשירה כימית. וושינגטון בנימין, ניו יורק.
3. קווימיטוב. (sf). אורביטלים אטומיים ומספרי קוונטים. התאושש מ: quimitube.com
4. נווה CR (2016). הדמיית אורביטלים אלקטרוניים. התאושש מ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. קלארק ג'יי (2012). אורביטלים אטומיים. התאושש מ: chemguide.co.uk
6. מעשיות קוונטיות. (26 באוגוסט 2011). מסלולי אטום, שקר בתיכון. התאושש מ: cuentos-cuanticos.com