Sa chemistry at physics, ang mga atomic orbital ay isang function na tinatawag na wave function na naglalarawan ng mga katangian na katangian ng hindi hihigit sa dalawang electron sa paligid ng isang atomic nucleus o system ng nuclei, tulad ng sa isang molekula. Ang isang orbital ay madalas na inilalarawan bilang isang three-dimensional na rehiyon kung saan mayroong 95 porsiyentong pagkakataong makahanap ng isang electron.
Mga orbital at orbit
Kapag ang isang planeta ay gumagalaw sa paligid ng Araw, sinusubaybayan nito ang isang landas na tinatawag na orbit. Katulad nito, ang isang atom ay maaaring katawanin bilang mga electron na umiikot sa mga orbit sa paligid ng nucleus. Sa katunayan, ang mga bagay ay iba, at ang mga electron ay nasa mga rehiyon ng espasyo na kilala bilang atomic orbitals. Kontento ang Chemistry sa pinasimpleng modelo ng atom upang kalkulahin ang Schrödinger wave equation at, nang naaayon, matukoy ang mga posibleng estado ng electron.
Ang mga orbit at orbital ay magkatulad, ngunit mayroon silang ganap na magkakaibang kahulugan. Napakahalagang maunawaan ang pagkakaiba sa pagitan nila.
Imposibleng magpakita ng mga orbit
Upang i-plot ang trajectory ng isang bagay, kailangan mong malaman kung nasaan ang bagayay matatagpuan, at magagawang itatag kung nasaan ito sa ilang sandali. Imposible ito para sa isang electron.
Ayon sa prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ng Heisenberg, imposibleng malaman nang eksakto kung nasaan ang isang particle sa sandaling ito at kung saan ito pupunta mamaya. (Sa katunayan, sinasabi ng prinsipyo na imposibleng matukoy nang sabay-sabay at may ganap na katumpakan ang momentum at momentum nito).
Samakatuwid, imposibleng bumuo ng orbit ng electron sa paligid ng nucleus. Malaking problema ba ito? Hindi. Kung hindi posible ang isang bagay, dapat itong tanggapin at hanapin ang mga paraan sa paligid nito.
Hydrogen electron – 1s-orbital
Ipagpalagay na mayroong isang hydrogen atom at sa isang tiyak na punto ng oras ang posisyon ng isang electron ay graphically imprinted. Makalipas ang ilang sandali, ang pamamaraan ay paulit-ulit at ang nagmamasid ay natagpuan na ang butil ay nasa isang bagong posisyon. Kung paano siya nakarating mula sa una hanggang sa pangalawa ay hindi alam.
Kung magpapatuloy ka sa ganitong paraan, unti-unti kang bubuo ng isang uri ng 3D na mapa kung saan malamang na naroroon ang particle.
Sa kaso ng hydrogen atom, ang electron ay maaaring nasa kahit saan sa loob ng spherical space na nakapalibot sa nucleus. Ang diagram ay nagpapakita ng cross section ng spherical space na ito.
95% ng oras (o anumang iba pang porsyento, dahil ang laki lamang ng uniberso ang makapagbibigay ng isang daang porsyentong katiyakan) ang electron ay nasa loob ng medyo madaling tinukoy na rehiyon ng espasyo, sapat na malapit sa nucleus. Ang nasabing rehiyon ay tinatawag na orbital. Atomic orbitals aymga rehiyon ng espasyo kung saan mayroong electron.
Anong ginagawa niya doon? Hindi namin alam, hindi namin malalaman, at samakatuwid ay binabalewala lang namin ang problemang ito! Masasabi lang natin na kung ang isang electron ay nasa isang partikular na orbital, magkakaroon ito ng tiyak na enerhiya.
May pangalan ang bawat orbital.
Ang espasyong inookupahan ng hydrogen electron ay tinatawag na 1s-orbital. Ang yunit dito ay nangangahulugan na ang particle ay nasa antas ng enerhiya na pinakamalapit sa nucleus. S ay nagsasabi tungkol sa hugis ng orbit. Ang mga S-orbital ay spherically simetriko tungkol sa nucleus - hindi bababa sa isang guwang na bola ng medyo siksik na materyal na may nucleus sa gitna nito.
2s
Ang susunod na orbital ay 2s. Ito ay katulad ng 1s, maliban na ang pinaka-malamang na lokasyon ng elektron ay mas malayo sa nucleus. Ito ay isang orbital ng pangalawang antas ng enerhiya.
Kung titingnan mong mabuti, mapapansin mo na mas malapit sa nucleus ay may isa pang rehiyon na bahagyang mas mataas ang densidad ng elektron ("density" ay isa pang paraan ng pagpapakita ng posibilidad na ang particle na ito ay naroroon sa isang partikular na lugar).
Ang mga
2s electron (at 3s, 4s, atbp.) ay gumugugol ng ilan sa kanilang oras nang mas malapit sa gitna ng atom kaysa sa inaasahan ng isa. Ang resulta nito ay isang bahagyang pagbaba sa kanilang enerhiya sa mga s-orbital. Habang papalapit ang mga electron sa nucleus, bumababa ang kanilang enerhiya.
Ang
3s-, 4s-orbital (at iba pa) ay papalayo sa gitna ng atom.
P-orbitals
Hindi lahat ng mga electron ay nabubuhay sa mga orbital (sa katunayan, kakaunti sa kanila ang nabubuhay). Sa unang antas ng enerhiya, ang tanging available na lokasyon para sa kanila ay 1s, sa pangalawa, 2s at 2p ang idinaragdag.
Ang mga orbital ng ganitong uri ay mas katulad ng 2 magkatulad na lobo, na konektado sa isa't isa sa core. Ang diagram ay nagpapakita ng isang cross section ng isang 3-dimensional na rehiyon ng espasyo. Muli, ipinapakita lamang ng orbital ang lugar na may 95 porsiyentong pagkakataong makahanap ng isang electron.
Kung akala natin ang isang pahalang na eroplano na dumadaan sa nucleus sa paraang ang isang bahagi ng orbit ay nasa itaas ng eroplano at ang isa ay nasa ibaba nito, kung gayon walang posibilidad na makahanap ng isang electron sa eroplanong ito.. Kaya paano napupunta ang isang particle mula sa isang bahagi patungo sa isa pa kung hindi ito makakadaan sa eroplano ng nucleus? Ito ay dahil sa likas nitong alon.
Hindi tulad ng s-, ang p-orbital ay may tiyak na direksyon.
Sa anumang antas ng enerhiya, maaari kang magkaroon ng tatlong ganap na katumbas na p-orbital na matatagpuan sa tamang mga anggulo sa isa't isa. Ang mga ito ay arbitraryong tinutukoy ng mga simbolo na px, py at pz. Ito ay tinatanggap para sa kaginhawahan - ang ibig sabihin ng X, Y o Z na mga direksyon ay patuloy na nagbabago, habang ang atom ay random na gumagalaw sa kalawakan.
Ang
P-orbitals sa pangalawang antas ng enerhiya ay tinatawag na 2px, 2py at 2pz. May mga katulad na orbital sa mga kasunod - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz at iba pa.
Lahat ng antas, maliban sa una, ay may mga p-orbital. Sa mas mataas na antas, ang mga "petals" ay mas pinahaba, na may pinakamalamang na lokasyon ng electron sa mas malaking distansya mula sa nucleus.
d- at f-orbitals
Bilang karagdagan sa mga s at p orbital, mayroong dalawang iba pang hanay ng mga orbital na magagamit ng mga electron sa mas mataas na antas ng enerhiya. Sa ikatlo, maaaring mayroong limang d-orbital (na may mga kumplikadong hugis at pangalan), pati na rin ang 3s- at 3p-orbitals (3px, 3py, 3pz). Mayroong kabuuang 9 dito.
Sa ikaapat, kasama ang 4s at 4p at 4d, 7 karagdagang f-orbital ang lalabas - 16 sa kabuuan, available din sa lahat ng mas mataas na antas ng enerhiya.
Paglalagay ng mga electron sa mga orbital
Ang isang atom ay maaaring ituring na isang napakagarang bahay (tulad ng isang baligtad na pyramid) na may isang nucleus na naninirahan sa silong at iba't ibang mga silid sa itaas na palapag na inookupahan ng mga electron:
- 1 kuwarto lang sa unang palapag (1s);
- sa pangalawang silid ay mayroon nang 4 (2s, 2px, 2py at 2pz);
- sa ikatlong palapag ay mayroong 9 na silid (isang 3s, tatlong 3p at limang 3d orbital) at iba pa.
Ngunit hindi masyadong malaki ang mga kuwarto. Ang bawat isa sa kanila ay maaari lamang humawak ng 2 electron.
Ang isang maginhawang paraan upang ipakita ang mga atomic orbit kung nasaan ang mga particle na ito ay ang pagguhit ng "quantum cells".
Quantum cells
NuclearAng mga orbital ay maaaring kinakatawan bilang mga parisukat na may mga electron sa mga ito na ipinapakita bilang mga arrow. Kadalasan, ginagamit ang mga pataas at pababang arrow upang ipakita na iba ang mga particle na ito.
Ang pangangailangan para sa iba't ibang mga electron sa isang atom ay bunga ng quantum theory. Kung sila ay nasa magkaibang mga orbital, ayos lang, ngunit kung sila ay nasa parehong orbit, dapat mayroong ilang banayad na pagkakaiba sa pagitan nila. Binibigyan ng quantum theory ang mga particle ng katangian na tinatawag na "spin", na siyang tinutukoy ng direksyon ng mga arrow.
Ang
1s orbital na may dalawang electron ay ipinapakita bilang isang parisukat na may dalawang arrow na nakaturo pataas at pababa, ngunit maaari rin itong isulat nang mas mabilis bilang 1s2. May nakasulat na "one s two", hindi "one s squared". Ang mga numero sa mga notasyong ito ay hindi dapat malito. Ang una ay ang antas ng enerhiya, at ang pangalawa ay ang bilang ng mga particle bawat orbital.
Hybridization
Sa chemistry, ang hybridization ay ang konsepto ng paghahalo ng mga atomic orbital sa mga bagong hybrid na orbital na may kakayahang ipares ang mga electron upang bumuo ng mga chemical bond. Ipinapaliwanag ng Sp hybridization ang mga kemikal na bono ng mga compound tulad ng alkynes. Sa modelong ito, naghahalo ang 2s at 2p carbon atomic orbitals upang bumuo ng dalawang sp orbital. Ang Acetylene C2H2 ay binubuo ng sp-sp entanglement ng dalawang carbon atom na may pagbuo ng σ-bond at dalawang karagdagang π-bond.
Atomic orbitals ng carbon sa saturated hydrocarbons ay mayroonidentical hybrid sp3-mga orbital na hugis dumbbell, ang isang bahagi nito ay mas malaki kaysa sa isa.
Ang
Sp2-hybridization ay katulad ng mga nauna at nabubuo sa pamamagitan ng paghahalo ng isa at dalawang p-orbital. Halimbawa, sa isang molekula ng ethylene, tatlong sp2- at isang p-orbital ang nabuo.
Atomic orbitals: filling principle
Pag-imagine ng mga transisyon mula sa isang atom patungo sa isa pa sa periodic table ng mga elemento ng kemikal, maitatatag ng isa ang electronic structure ng susunod na atom sa pamamagitan ng paglalagay ng karagdagang particle sa susunod na available na orbit.
Ang mga electron, bago punan ang mas mataas na antas ng enerhiya, ay sumasakop sa mga mas mababa na matatagpuan mas malapit sa nucleus. Kung may pagpipilian, isa-isang pinupuno nila ang mga orbital.
Ang filling order na ito ay kilala bilang Hund's rule. Nalalapat lamang ito kapag ang mga atomic na orbital ay may pantay na enerhiya, at nakakatulong din na mabawasan ang repulsion sa pagitan ng mga electron, na ginagawang mas matatag ang atom.
Tandaan na ang s-orbital ay palaging may bahagyang mas kaunting enerhiya kaysa sa p orbital sa parehong antas ng enerhiya, kaya ang una ay laging napupuno bago ang huli.
Ang talagang kakaiba ay ang posisyon ng mga 3d orbital. Ang mga ito ay nasa mas mataas na antas kaysa sa 4s, kaya't ang 4s orbital ay unang napuno, na sinusundan ng lahat ng 3d at 4p na orbital.
Ang parehong pagkalito ay nangyayari sa mas matataas na antas na may mas maraming paghabi sa pagitan. Samakatuwid, halimbawa, ang 4f atomic orbitals ay hindi napupunan hanggang sa lahat ng mga lugar sa6s.
Ang pag-alam sa fill order ay mahalaga sa pag-unawa kung paano ilarawan ang mga electronic na istruktura.
