در شیمی و فیزیک، اوربیتالهای اتمی تابعی هستند به نام تابع موج که ویژگی‌های مشخصه بیش از دو الکترون را در مجاورت یک هسته اتمی یا سیستم هسته‌ها، مانند یک مولکول، توصیف می‌کند. یک اوربیتال اغلب به عنوان یک ناحیه سه بعدی به تصویر کشیده می شود که در آن احتمال 95 درصد یافتن الکترون وجود دارد.
مدارها و مدارها
وقتی سیاره ای به دور خورشید حرکت می کند، مسیری به نام مدار را دنبال می کند. به طور مشابه، یک اتم را می توان به صورت الکترون هایی که در مدارهایی به دور هسته می چرخند نشان داد. در واقع، همه چیز متفاوت است، و الکترون ها در مناطقی از فضا به نام اوربیتال اتمی هستند. شیمی به مدل ساده شده اتم برای محاسبه معادله موج شرودینگر و بر این اساس، تعیین حالات احتمالی الکترون بسنده می کند.
مدارها و مدارها شبیه هم هستند، اما معانی کاملاً متفاوتی دارند. درک تفاوت بین آنها بسیار مهم است.
نمایش مدارها غیرممکن است
برای ترسیم مسیر حرکت چیزی، باید دقیقاً بدانید که آن جسم کجاستواقع شده است و قادر است در یک لحظه مکان آن را تعیین کند. این برای یک الکترون غیرممکن است.
طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، نمی توان دقیقاً دانست که یک ذره در حال حاضر کجاست و بعداً کجا خواهد بود. (در واقع این اصل می گوید که تعیین تکانه و تکانه آن به طور همزمان و با دقت مطلق غیرممکن است).
بنابراین، ساختن مداری از الکترون به دور هسته غیرممکن است. آیا این یک مشکل بزرگ است؟ خیر اگر چیزی ممکن نیست، باید آن را پذیرفت و راه هایی برای آن پیدا کرد.
الکترون هیدروژن - 1s-اوربیتال
فرض کنید یک اتم هیدروژن وجود دارد و در یک نقطه خاص از زمان موقعیت یک الکترون به صورت گرافیکی نشان داده شده است. مدت کوتاهی پس از آن، این روش تکرار می شود و ناظر متوجه می شود که ذره در موقعیت جدیدی قرار دارد. نحوه رسیدن او از رتبه اول به رتبه دوم ناشناخته است.
اگر به این روش ادامه دهید، به تدریج نوعی نقشه سه بعدی از جایی که ذره احتمالاً در آن قرار دارد، تشکیل خواهید داد.
در مورد اتم هیدروژن، الکترون می تواند در هر جایی از فضای کروی اطراف هسته باشد. نمودار مقطعی از این فضای کروی را نشان می دهد.
95٪ مواقع (یا هر درصد دیگری، زیرا فقط اندازه جهان می تواند صد در صد اطمینان را ارائه دهد) الکترون در یک منطقه نسبتاً آسان از فضا قرار می گیرد که به اندازه کافی به هسته نزدیک است. به چنین ناحیه ای مداری می گویند. اوربیتال های اتمی هستندمناطقی از فضا که در آن الکترون وجود دارد.
او آنجا چه می کند؟ ما نمی دانیم، نمی توانیم بدانیم و بنابراین به سادگی از کنار این مشکل می گذریم! ما فقط می توانیم بگوییم که اگر یک الکترون در یک اوربیتال خاص باشد، انرژی خاصی خواهد داشت.
هر اوربیتال یک نام دارد.
فضای اشغال شده توسط الکترون هیدروژن را اوربیتال 1s می نامند. واحد در اینجا به این معنی است که ذره در نزدیکترین سطح انرژی به هسته قرار دارد. S در مورد شکل مدار می گوید. اوربیتال های S به طور کروی در مورد هسته متقارن هستند - حداقل مانند یک توپ توخالی از مواد نسبتاً متراکم با یک هسته در مرکز آن.
2s
اوربیتال بعدی 2 ثانیه است. شبیه 1 است، با این تفاوت که محتمل ترین مکان الکترون دورتر از هسته است. این اوربیتال سطح انرژی دوم است.
اگر دقت کنید، متوجه خواهید شد که نزدیکتر به هسته، ناحیه دیگری با چگالی الکترونی کمی بالاتر وجود دارد ("چگالی" راه دیگری برای نشان دادن احتمال وجود این ذره در یک مکان خاص است).
الکترونهای
2s (و 3s، 4s و غیره) مقداری از زمان خود را بسیار نزدیکتر از آنچه انتظار می رود به مرکز اتم می گذرانند. نتیجه این کاهش اندکی در انرژی آنها در اوربیتال های s است. هرچه الکترون ها به هسته نزدیکتر شوند، انرژی آنها کمتر می شود.
3s-، اوربیتال های 4s (و غیره) از مرکز اتم دورتر می شوند.
P-orbitals
همه الکترون ها در اوربیتال های s زندگی نمی کنند (در واقع تعداد بسیار کمی از آنها زندگی می کنند). در سطح انرژی اول، تنها مکان موجود برای آنها 1s است، در دوم، 2s و 2p اضافه شده است.
اوربیتال های این نوع بیشتر شبیه ۲ بالون یکسان هستند که در هسته به یکدیگر متصل هستند. نمودار مقطعی از یک منطقه 3 بعدی از فضا را نشان می دهد. مجدداً، اوربیتال فقط ناحیه‌ای را با احتمال 95 درصد یافتن یک الکترون نشان می‌دهد.
اگر صفحه افقی را تصور کنیم که از هسته به گونه ای می گذرد که یک قسمت از مدار بالای صفحه و قسمت دیگر زیر آن باشد، در این صورت احتمال یافتن الکترون در این صفحه صفر است.. پس چگونه یک ذره از یک قسمت به قسمت دیگر می رسد اگر هرگز از صفحه هسته عبور نکند؟ این به دلیل ماهیت موجی آن است.
برخلاف s-، اوربیتال p دارای جهت خاصی است.
در هر سطح انرژی، می توانید سه اوربیتال p کاملاً معادل داشته باشید که در زوایای قائم با یکدیگر قرار دارند. آنها به طور دلخواه با نمادهای px، py و pz نشان داده می شوند. این برای راحتی پذیرفته شده است - منظور از جهت های X، Y یا Z به طور مداوم در حال تغییر است، زیرا اتم به طور تصادفی در فضا حرکت می کند.
اوربیتال های
P در سطح انرژی دوم 2px، 2py و 2pz نامیده می شوند.. اوربیتال های مشابهی در مدارهای بعدی وجود دارد - 3px، 3py، 3pz، 4px، 4py،4pz و غیره.
همه سطوح به جز سطح اول دارای اوربیتال p هستند. در سطوح بالاتر، "گلبرگ ها" درازتر هستند و محتمل ترین مکان الکترون در فاصله بیشتری از هسته است.
d- و اوربیتال f
علاوه بر اوربیتال های s و p، دو مجموعه دیگر از اوربیتال ها برای الکترون ها در سطوح انرژی بالاتر در دسترس هستند. در مورد سوم، ممکن است پنج اوربیتال d (با اشکال و نام های پیچیده)، و همچنین اوربیتال های 3s و 3p (3px، 3py وجود داشته باشد. ، 3pz). در مجموع 9 مورد اینجا وجود دارد.
در چهارم، همراه با 4s و 4p و 4d، 7 اوربیتال f اضافی ظاهر می شود - 16 در مجموع، همچنین در تمام سطوح انرژی بالاتر موجود است.
قرارگیری الکترونها در اوربیتالها
یک اتم را می توان به عنوان یک خانه بسیار شیک (مانند یک هرم وارونه) با هسته ای در طبقه همکف و اتاق های مختلف در طبقات بالایی که توسط الکترون ها اشغال شده است تصور کرد:
- در طبقه اول (1s) فقط 1 اتاق وجود دارد؛
- در اتاق دوم در حال حاضر 4 (2s, 2px, 2py و 2pz);
- در طبقه سوم 9 اتاق (یکی 3s، سه 3p و 5 اوربیتال 3 بعدی) و غیره وجود دارد.
اما اتاق ها خیلی بزرگ نیستند. هر یک از آنها فقط می تواند 2 الکترون را در خود نگه دارد.
یک راه راحت برای نشان دادن مدارهای اتمی که این ذرات در آن قرار دارند ترسیم "سلول های کوانتومی" است.
سلول های کوانتومی
هسته ایاوربیتال ها را می توان به صورت مربع با الکترون های موجود در آنها به صورت فلش نشان داد. اغلب، از فلش های بالا و پایین برای نشان دادن تفاوت این ذرات استفاده می شود.
نیاز به الکترون های مختلف در یک اتم نتیجه نظریه کوانتومی است. اگر آنها در مدارهای مختلف باشند، خوب است، اما اگر در یک مدار باشند، باید تفاوت ظریفی بین آنها وجود داشته باشد. نظریه کوانتومی به ذرات خاصیتی به نام "اسپین" می بخشد، که جهت فلش ها به آن اشاره دارد.
اوربیتال
1s با دو الکترون به صورت مربع با دو فلش رو به بالا و پایین نشان داده می شود، اما می توان آن را حتی سریعتر به صورت 1s2 نوشت. به عنوان "یک s دو" خوانده می شود، نه "یک s مربع". اعداد در این نمادها نباید اشتباه گرفته شوند. اولی سطح انرژی و دومی تعداد ذرات در هر مدار است.
هیبریداسیون
در شیمی، هیبریداسیون مفهوم اختلاط اوربیتال های اتمی به اوربیتال های هیبریدی جدید است که قادر به جفت شدن الکترون ها برای تشکیل پیوندهای شیمیایی هستند. هیبریداسیون Sp پیوندهای شیمیایی ترکیباتی مانند آلکین ها را توضیح می دهد. در این مدل، اوربیتال های اتمی کربن 2s و 2p با هم مخلوط می شوند و دو اوربیتال sp را تشکیل می دهند. استیلن C2H2 شامل یک درهم تنیدگی sp-sp از دو اتم کربن با تشکیل یک پیوند σ و دو پیوند π اضافی است.
اوربیتال های اتمی کربن در هیدروکربن های اشباع شده دارندهیبرید یکسان sp3-اوربیتال‌هایی به شکل یک دمبل، که یک قسمت آن بسیار بزرگ‌تر از دیگری است.
Sp2 -هیبریداسیون مشابه موارد قبلی است و از اختلاط یک s و دو اوربیتال p تشکیل می شود. برای مثال، در یک مولکول اتیلن، سه sp2- و یک p-اوربیتال تشکیل می شود.
اوربیتالهای اتمی: اصل پر کردن
با تصور انتقال از یک اتم به اتم دیگر در جدول تناوبی عناصر شیمیایی، می توان ساختار الکترونیکی اتم بعدی را با قرار دادن یک ذره اضافی در مدار موجود بعدی ایجاد کرد.
الکترون ها، قبل از پر کردن سطوح انرژی بالاتر، سطوح پایین تر را که نزدیکتر به هسته قرار دارند، اشغال می کنند. در جایی که انتخاب وجود دارد، اوربیتال ها را به صورت جداگانه پر می کنند.
این دستور پر کردن به عنوان قانون هوند شناخته می شود. این فقط زمانی اعمال می شود که اوربیتال های اتمی دارای انرژی برابر باشند، و همچنین به کاهش دافعه بین الکترون ها کمک می کند و اتم را پایدارتر می کند.
توجه داشته باشید که اوربیتال s همیشه کمی کمتر از اوربیتال p در همان سطح انرژی دارد، بنابراین اولی همیشه قبل از دومی پر می شود.
آنچه واقعاً عجیب است، موقعیت مدارهای سه بعدی است. آنها در سطح بالاتری نسبت به 4s هستند، و بنابراین اوربیتال های 4s ابتدا پر می شوند و سپس تمام اوربیتال های 3d و 4p پر می شوند.
همان سردرگمی در سطوح بالاتر با بافت‌های بیشتر در میان رخ می‌دهد. بنابراین، به عنوان مثال، اوربیتال های اتمی 4f تا زمانی که همه مکان های روی آن پر نمی شوند6s.
دانستن ترتیب پر کردن برای درک چگونگی توصیف ساختارهای الکترونیکی مهم است.
