Што такое атамныя арбіталь?

У хіміі і фізіцы атамныя арбіталь - гэта функцыя, званая хвалевай, якая апісвае ўласцівасці, характэрныя для не больш за два электронаў у ваколіцах атамнага ядра або сістэмы ядраў, як у малекуле. Арбіталей часта паказваецца як трохмерная вобласць, унутры якой існуе 95-працэнтная верагоднасць знаходжання электрона.

Арбіталь і арбіты

Калі планета рухаецца вакол Сонца, яна акрэслівае шлях, званы арбітай. Падобным чынам атам можна прадставіць у выглядзе электронаў, што кружлялі на арбітах вакол ядра. На самай справе ўсё ідзе інакш, і электроны знаходзяцца ў абласцях прасторы, вядомых як атамныя арбіталь. Хімія здавольваецца спрошчанай мадэллю атама для разліку хвалевага ўраўненні Шредингера і, адпаведна, вызначэння магчымых станаў электрона.

Арбіты і арбіталь гучаць падобна, але яны маюць зусім розныя значэнні. Вельмі важна разумець розніцу паміж імі.

Немагчымасць малюнка арбіт

Каб пабудаваць траекторыю руху чагосьці, трэба дакладна ведаць, дзе аб'ект знаходзіцца, і быць у стане ўсталяваць, дзе ён будзе праз імгненне. Для электрона гэта зрабіць немагчыма.

Згодна з прынцыпу нявызначанасці Гейзенберга, нельга дакладна ведаць, дзе часціца знаходзіцца ў дадзены момант і дзе яна апынецца потым. (На самай справе прынцып гаворыць аб тым, што немагчыма вызначыць адначасова і з абсалютнай дакладнасцю яе момант і імпульс).

Таму немагчыма пабудаваць арбіту руху электрона вакол ядра. Ці з'яўляецца гэта вялікай праблемай? Няма. Калі што-то немагчыма, гэта трэба прыняць таксама знайсці спосабы абысці.

Электрон вадароду - 1s-арбіталей

Выкажам здагадку, маецца адзін атам вадароду і ў пэўны момант часу графічна захоўваецца становішча аднаго электрона. Неўзабаве пасля гэтага, працэдура паўтараецца, і назіральнік выяўляе, што часціца знаходзіцца ў новым становішчы. Што яна праз першага месца трапіла ў другое, невядома.

Калі працягваць дзейнічаць такім чынам, то паступова сфармуецца свайго роду 3D-карта месцаў верагоднага знаходжання часціцы.

У выпадку атама вадароду электрон можа знаходзіцца ў любым месцы ў межах сферычнага прасторы, навакольнага ядро. На дыяграме паказана папярочны перасек гэтага сферычнага прасторы.

95% часу (або любы іншы працэнт, так як стоадсоткавую упэўненасць могуць забяспечыць толькі памеры Сусвету) электрон будзе знаходзіцца ў межах даволі лёгка якая вызначаецца вобласці прасторы, досыць блізкай да ядра. Такі ўчастак называецца арбіталей. Атамныя арбіталь - гэта вобласці прасторы, у якіх існуе электрон.

Што ён там робіць? Мы не ведаем, не можам ведаць і таму проста ігнаруем гэтую праблему! Мы можам сказаць толькі, што калі электрон знаходзіцца на канкрэтнай арбіталь, то ён будзе валодаць пэўнай энергіяй.

Кожная арбіталей мае назву.

Прастору, займанае электронам вадароду, называецца 1s-арбіталей. Адзінка тут пазначае тое, што часціца знаходзіцца на бліжэйшым да ядра энергетычным узроўні. S кажа пра форму арбіты. S-арбіталь сферычных сіметрычныя адносна ядра - прынамсі, як полы шар з даволі шчыльнага матэрыялу з ядром у яго цэнтры.

2s

Наступны арбіталей - 2s. Яна падобная на 1s, за выключэннем таго, што вобласць найбольш верагоднага знаходжання электрона размешчана далей ад ядра. Гэта арбіталей другога энергетычнага ўзроўню.

Але калі прыгледзецца ўважліва, то можна заўважыць, што бліжэй да ядра ёсць яшчэ адзін рэгіён некалькі больш высокай шчыльнасці электрона ( «шчыльнасць» з'яўляецца яшчэ адным спосабам абазначэння верагоднасці таго, што гэтая часціца прысутнічае ў пэўным месцы).

2s-электроны (і 3s, 4s і т. Д.) Праводзяць частку свайго часу нашмат бліжэй да цэнтра атама, чым можна было б чакаць. Вынікам гэтага з'яўляецца невялікае зніжэнне іх энергіі на s-арбіталей. Чым бліжэй электроны набліжаюцца да ядра, тым менш становіцца іх энергія.

3s-, 4s-арбіталь (і т. Д.) Размяшчаюцца ўсе далей ад цэнтра атама.

Р-арбіталь

Не ўсе электроны засяляюць s-арбіталь (на самай справе, вельмі нешматлікія з іх там знаходзяцца). На першым энергетычным узроўні адзіным даступным месцам размяшчэння для іх з'яўляецца 1s, на другім дадаюцца 2s і 2p.

Арбіталь гэтага тыпу хутчэй паходзяць на 2 аднолькавых паветраных шара, звязаны адзін з адным на ядры. На дыяграме паказана папярочны перасек 3-мернай вобласці прасторы. Зноў жа, арбіталей паказвае толькі вобласць з 95-працэнтнай верагоднасцю знаходжання асобнага электрона.

Калі ўявіць сабе гарызантальную плоскасць, якая праходзіць праз ядро такім чынам, што адна часткай арбіты будзе знаходзіцца над плоскасцю, а іншая пад ёй, то існуе нулявая верагоднасць знаходжання электрона на гэтай плоскасці. Так як жа часціца трапляе з адной часткі ў іншую, калі ён ніколі не зможа прайсці праз плоскасць ядра? Гэта звязана з яе хвалевай прыродай.

У адрозненне ад s-, p-арбіталей мае пэўную накіраванасць.

На любым энергетычным узроўні можна мець тры абсалютна эквівалентныя р-арбіталь, размешчаныя пад прамым вуглом адзін да аднаго. Яны адвольна абазначаюцца знакамі р _х, р _к і _p z. Так прынята для выгоды - тое, што маецца на ўвазе пад напрамкамі X, Y або Z, пастаянна змяняецца, т. К. Атам бязладна рухаецца ў прасторы.

Р-арбіталь на другім энергетычным узроўні называюцца 2р _х, 2р _у і _2p z. Ёсць падобныя арбіталь і на наступных - _3p x, _3p y, _3p z, _4p x, _4p y, _4p z і гэтак далей.

Усе ўзроўні, за выключэннем першага, маюць р-арбіталь. На больш высокіх «пялёсткі» выцягнутую, з найбольш верагодным месцам знаходжання электрона на большым выдаленні ад ядра.

d- і f-арбіталь

У дадатак да s- і р-арбіталей, існуе два іншых набору арбіталей, даступных для электронаў на больш высокіх узроўнях энергіі. На трэцім магчыма існаванне пяці d-арбіталей (са складанымі формамі і імёнамі), а таксама 3s- і 3p-арбіталей _(3p x, _3p y, _3p z). У агульнай складанасці іх тут маецца 9.

На чацвёртым, нароўні з 4s і 4p і 4d з'яўляюцца 7 дадатковых f-арбіталей - усяго 16, даступных таксама на ўсіх больш высокіх энергетычных узроўнях.

Размяшчэнне электронаў на арбіталей

Атам можна ўявіць, як вельмі мудрагелісты дом (падобны перавернутай пірамідзе) з ядром, якія жывуць на першым паверсе, і рознымі пакоямі на верхніх паверхах, займаных электронамі:

• на першым паверсе ёсць толькі 1 пакой (1s);
• на другім пакояў ўжо 4 (2s, 2р _х, 2р _у і _2p z);
• на трэцім паверсе размешчана 9 пакояў (адна 3s, тры 3р і пяць 3d-арбіталей) і гэтак далей.

Але пакоя не вельмі вялікія. Кожная з іх можа ўтрымліваць толькі 2 электрона.

Зручны спосаб паказаць атамныя арбіталь, у якіх знаходзяцца гэтыя часціцы - гэта намаляваць «квантавыя вочкі».

квантавыя вочка

Атамныя арбіталь могуць быць прадстаўлены ў выглядзе квадратаў з электронамі ў іх, намаляванымі ў выглядзе стрэлак. Часта стрэлкі, накіраваныя ўверх і ўніз, выкарыстоўваюцца, каб паказаць, што гэтыя часціцы адрозніваюцца адзін ад аднаго.

Неабходнасць наяўнасці розных электронаў у атаме з'яўляецца следствам квантавай тэорыі. Калі яны знаходзяцца на розных арбіталей - гэта цудоўна, але калі яны размясціліся на адной, то паміж імі павінна існаваць нейкі тонкае адрозненне. Квантавая тэорыя надзяляе часціцы уласцівасцю, якое носіць назву «спін» - менавіта яго і пазначае кірунак стрэлак.

1s-арбіталей з двума электронамі малюецца ў выглядзе квадрата з двума стрэлкамі, накіраванымі ўверх і ўніз, але яе таксама можна запісаць яшчэ хутчэй як 1s ^2. Гэта чытаецца як «адзін s два», а не як «адзін s ў квадраце». Не варта блытаць лікі ў гэтых пазначэннях. Першае пазначае энергетычны ўзровень, а другое - колькасць часціц на арбіталь.

гібрыдызацыя

У хіміі гібрыдызацыя з'яўляецца канцэпцыяй змешвання атамных арбіталей ў новыя гібрыдныя, здольныя спарвацца электроны з фарміраваннем хімічных сувязяў. Sp-гібрыдызацыя тлумачыць хімічныя сувязі такіх злучэнняў, як алкины. У гэтай мадэлі атамныя арбіталь вугляроду 2s і 2p змешваюцца, утвараючы дзве sp-арбіталь. Ацэтылен C ₂ H ₂ складаецца з sp-sp-перапляценні двух атамаў вугляроду з адукацыяй σ-сувязі і двух дадатковых π-сувязяў.

Атамныя арбіталь вугляроду ў лімітавых вуглевадародах маюць аднолькавыя гібрыдныя sp ³ -орбитали, якія маюць форму гантэлі, адна частка якой нашмат большая за другую.

Sp ² -гибридизация падобная папярэднім і ўтворана змешваннем адной s і двух p-арбіталей. Напрыклад, у малекуле этылену ўтвараюцца тры sp ² - і адна p-арбіталей.

Атамныя арбіталь: прынцып запаўнення

Прадстаўляючы сабе пераходы ад аднаго атама да іншага ў перыядычным табліцы хімічных элементаў, можна ўсталяваць электронную структуру наступнага атама шляхам размяшчэння дадатковай часціцы ў наступную даступную арбіталей.

Электроны, перш чым запоўніць больш высокія энергетычныя ўзроўні, займаюць больш нізкія, размешчаныя бліжэй да ядра. Там, дзе ёсць выбар, яны запаўняюць арбіталь паасобку.

Такі парадак запаўнення вядомы пад назвай правілы Хунда. Яно ўжываецца толькі тады, калі атамныя арбіталь валодаюць роўнымі энергіямі, а таксама дапамагае мінімізаваць адштурхванне паміж электронамі, што робіць атам больш стабільным.

Варта звярнуць увагу на тое, што ў s-арбіталь энергія заўсёды крыху менш, чым у р на тым жа энергетычным узроўні, таму першыя заўсёды запаўняюцца раней апошніх.

Што сапраўды дзіўна, дык гэта становішча 3d-арбіталей. Яны знаходзяцца на больш высокім узроўні, чым 4s, і таму 4s-арбіталь запаўняюцца першымі, а затым ужо ўсё 3d- і 4p-арбіталь.

Тая самая блытаніна адбываецца і на больш высокіх узроўнях, з вялікай колькасцю перапляценняў паміж імі. Таму, напрыклад, атамныя арбіталь 4f не адказваюць, пакуль не будуць занятыя ўсе месцы на 6s.

Веданне парадку запаўнення мае цэнтральнае значэнне для разумення таго, як апісваць электронныя структуры.