מהם אורביטלים מנווונים? - כִּימִיָה - 2025

אורביטלים המנוונים הם אלה שנמצאים באותה רמת אנרגיה. על פי הגדרה זו, עליהם להיות בעלי אותו מספר קוונטי עיקרי n. לפיכך, האורביטלים 2s ו- 2p מנווונים, מכיוון שהם שייכים לרמת אנרגיה 2. עם זאת, ידוע כי פונקציות הגל הזוויתי והרדיאלי שלהן שונות.

ככל שהערכים של n גדלים, האלקטרונים מתחילים לתפוס תת-אנרגיה אחרים, כמו האורביטלים d ו- f. לכל אחד מהאורביטלים הללו מאפיינים משלהם, אשר במבט ראשון ניתן לראות בצורותיהם הזוויתיות; אלה הדמויות הכדוריות, המשקולת (p), התלתן (d) והכדוריות (f).

מקור: גבריאל בוליבר

ביניהם, יש הבדל אנרגטי, אפילו שייך לאותה רמה n.

לדוגמה, התמונה שלמעלה מציגה סכמת אנרגיה עם האורביטלים תפוסים על ידי אלקטרונים לא מותאמים (מקרה חריג). ניתן לראות כי מכל היציבות ביותר (זו עם האנרגיה הנמוכה ביותר) היא ה- ns (1s, 2s, …) המסלול, בעוד ה- nf הוא הכי לא יציב (זה עם האנרגיה הגבוהה ביותר).

אורביטלים מנווונים של אטום מבודד

אורביטלים מנווונים, בעלי אותו ערך של n, נמצאים באותו קו בתכנית אנרגיה. מסיבה זו שלושת הפסים האדומים המסמלים את האורביטלים p ממוקמים באותו קו; וכך גם הפסים הסגולים והצהובים באותה צורה.

התרשים בתמונה מפר את החוק של הונד: האורביטלים בעלי האנרגיה הגבוהה יותר מתמלאים באלקטרונים מבלי להזדווג אותם תחילה לאלה שנמצאים באנרגיה התחתונה. ככל שהאלקטרונים מזדווגים, המסלול מאבד אנרגיה, ומפעיל דחייה אלקטרוסטטית גדולה יותר על האלקטרונים הבלתי צמודים של שאר האורגנים.

עם זאת, השפעות כאלה אינן נחשבות בתרשימי אנרגיה רבים. אם כן, ולציית לשלטונו של הונד מבלי למלא לחלוטין את המסלוליות, ניתן היה לראות שהם מפסיקים להתנוון.

כאמור, לכל מסלול יש מאפיינים משלו. אטום מבודד, עם התצורה האלקטרונית שלו, האלקטרונים שלו מסודרים במספר המדויק של האורביטלים בכדי להכיל אותם. רק אלה השווים באנרגיה יכולים להיחשב מנווונים.

Orbitals עמ '

שלושת הפסים האדומים עבור האורביטלים p המנווונים בתמונה מעידים כי לשני p _x , p _ו- p _z יש אותה אנרגיה. יש אלקטרון לא מותאם בכל אחד, המתואר על ידי ארבעה מספרים קוונטיים (n, l, ml ו- ms), ואילו השלושה הראשונים מתארים את האורביטלים.

ההבדל היחיד ביניהם מצוין על ידי הרגע המגנטי ml, שמשרטט את הנתיב של p _x על ציר x, p _y על ציר y, ו- p _z על ציר z. שלושתם זהים, אך נבדלים זה מזה רק בכיוונם המרחבי. מסיבה זו הם תמיד נמשכים מיושרים באנרגיה, כלומר מנווונים.

מכיוון שהם שווים, אטום חנקן מבודד (עם תצורה 1s ² 2s ² 2p ³ ) חייב לשמור על שלושת האורביטלים p שלו מנווונים. עם זאת, תרחיש האנרגיה משתנה בפתאומיות אם מחשיבים אטום N בתוך מולקולה או תרכובת כימית.

למה? מכיוון שלמרות ש- p _x , p _ו- p _z שווים באנרגיה, זה יכול להשתנות בכל אחד מהם אם יש להם סביבות כימיות שונות; כלומר אם הם נקשרים לאטומים שונים.

אורביטלים ד

ישנם חמש פסים סגולים המציינים את האורביטלים d. באטום מבודד, גם אם יש להם אלקטרונים בזיווג, חמש האורביטלים הללו נחשבים מנווונים. עם זאת, בניגוד למסלולי האורביטל, הפעם יש הבדל ניכר בצורותיהם הזוויתיות.

לכן האלקטרונים שלו נעים כיווני שטח בחלל המשתנים מסלול אחד למשנהו. זה גורם, על פי התיאוריה של השדה הגבישי, כי הפרעה מינימלית גורמת להכפלה אנרגטית של המסללים; כלומר, חמש הפסים הסגולים נפרדים, ומשאירים פער אנרגיה ביניהם:

מקור: גבריאל בוליבר

מהם האורביטלים העליונים ומהם המסלול התחתון? אלה שלמעלה מסומלים כ- _g , ואלה שמתחת _{לט 2 גרם} . שים לב איך בהתחלה כל הפסים הסגולים היו מסודרים, ועכשיו סט של שני e _g אורביטלים אנרגטיים יותר מאשר סט אחר של שלושה t _2G אורביטלים נוצר .

תיאוריה זו מאפשרת לנו להסביר את מעברי ה- dd, אליהם מיוחסים רבים מהצבעים שנצפו בתרכובות של מתכות המעבר (Cr, Mn, Fe וכו '). ולמה נובעת ההפרעה האלקטרונית הזו? לאינטראקציות התיאום של מרכז המתכת עם מולקולות אחרות הנקראות ליגנדים.

אורביטלים f

ועם האורביטלים f, הפסים הצהובים המורגשים, המצב מסתבך עוד יותר. הכיוונים המרחביים שלהם משתנים מאוד ביניהם, והדמיית הקישורים שלהם הופכת מורכבת מדי.

לאמיתו של דבר, האורביטלים הנחשבים כה מעטים פנימיים עד שהם לא "משתתפים במידה ניכרת" בהיווצרות הקשר.

כאשר האטום המבודד עם אורביטלים f מקיף את עצמו אטומים אחרים, אינטראקציות מתחילות ומתרחשות (אובדן הניוון):

מקור: גבריאל בוליבר

שימו לב שעכשיו הפסים הצהובים יוצרים שלוש סטים: t _1g , t _2g ו- _1g , וכי הם כבר לא מנווונים.

אורביטלים היברידיים מנווונים

נראה כי המסללים יכולים להתפתח ולאבד התנוונות. עם זאת, בעוד שזה מסביר מעברים אלקטרוניים, זה מחמיא בבירור כיצד ומדוע יש גיאומטריות מולקולריות שונות. כאן נכנסים אורביטלים היברידיים.

מהם המאפיינים העיקריים שלה? שהם מנווונים. לפיכך, הם נובעים מתערובת של דמויות של s, p, d ו- f אורביטלים, כדי שמקורם של כלאיים מנווונים.

לדוגמה, שלושה אורביטלים p משתלבים עם s כדי לתת ארבעה sp sp ³ orbitals . כל האורביטלים של ה- Sp ³ מנווונים , ולכן הם בעלי אותה אנרגיה.

אם בנוסף, מעורבבים שני אורביטלים d עם ארבעת ה- sp ³ , נקבל שישה sp ³ d ² אורביטלים .

ואיך הם מסבירים גיאומטריות מולקולריות? מכיוון שיש שש, עם אנרגיות שוות, לכן עליהן להיות מכוונות באופן סימטרי בחלל כדי לייצר סביבות כימיות שוות (למשל במתחם MF ₆ ).

כאשר הם עושים זאת, נוצר אוקטדרדר קואורדינציה, השווה לגאומטריה של אוקטאהדרלה סביב מרכז (M).

עם זאת, לעיתים קרובות מעוותים הגיאומטריות, מה שאומר שאפילו אורביטלים היברידיים אינם באמת מנווונים לחלוטין. לכן, לסיכום, אורביטלים מנווונים קיימים רק באטומים מבודדים או בסביבות סימטריות ביותר.

הפניות

1. מילון כימיקול. (2017). הגדרה של מנוון. התאושש מ: chemicool.com
2. SparkNotes LLC. (2018). אטומים ואורביטלים אטומיים. התאושש מ: sparknotes.com
3. כימיה טהורה. (sf). תצורה אלקטרונית. התאושש מ: es-puraquimica.weebly.com
4. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
5. מורנו ר. אספרזה. (2009). קורס כימיה לתיאום: שדות ואורביטלים. . התאושש מ: depa.fquim.unam.mx
6. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.