V chémii a fyzike sú atómové orbitály funkciou nazývanou vlnová funkcia, ktorá popisuje vlastnosti charakteristické pre nie viac ako dva elektróny v blízkosti atómového jadra alebo systému jadier, ako v molekule. Orbitál je často zobrazovaný ako trojrozmerná oblasť, v ktorej je 95-percentná šanca nájsť elektrón.
Orbitály a obežné dráhy
Keď sa planéta pohybuje okolo Slnka, sleduje dráhu nazývanú orbita. Podobne môže byť atóm reprezentovaný ako elektróny obiehajúce na obežných dráhach okolo jadra. V skutočnosti sú veci iné a elektróny sú v oblastiach vesmíru známych ako atómové orbitály. Chémia sa uspokojí so zjednodušeným modelom atómu na výpočet Schrödingerovej vlnovej rovnice a podľa toho určí možné stavy elektrónu.
Orbity a orbitály znejú podobne, ale majú úplne odlišný význam. Je mimoriadne dôležité pochopiť rozdiel medzi nimi.
Nedá sa zobraziť orbity
Ak chcete nakresliť trajektóriu niečoho, musíte presne vedieť, kde sa predmet nachádzasa nachádza, a byť schopný určiť, kde bude o chvíľu. To je pre elektrón nemožné.
Podľa Heisenbergovho princípu neurčitosti nie je možné presne vedieť, kde sa častica momentálne nachádza a kde bude neskôr. (Princíp v skutočnosti hovorí, že nie je možné určiť súčasne a s absolútnou presnosťou jeho hybnosť a hybnosť).
Preto nie je možné vybudovať obežnú dráhu elektrónu okolo jadra. Je to veľký problém? nie Ak niečo nie je možné, treba to prijať a nájsť spôsoby, ako to obísť.
Elektrón vodíka – 1s-orbital
Predpokladajme, že existuje jeden atóm vodíka a v určitom časovom bode je graficky znázornená poloha jedného elektrónu. Krátko nato sa postup opakuje a pozorovateľ zistí, že častica je v novej polohe. Ako sa dostala z prvého miesta na druhé, nie je známe.
Ak budete pokračovať týmto spôsobom, postupne vytvoríte akúsi 3D mapu miesta, kde sa častica pravdepodobne nachádza.
V prípade atómu vodíka môže byť elektrón kdekoľvek v sférickom priestore obklopujúcom jadro. Diagram ukazuje prierez tohto sférického priestoru.
95 % času (alebo akékoľvek iné percento, keďže stopercentnú istotu môže poskytnúť iba veľkosť vesmíru) sa elektrón bude nachádzať v pomerne ľahko definovanej oblasti priestoru, dostatočne blízko k jadru. Takáto oblasť sa nazýva orbitál. Atómové orbitály súoblasti priestoru, kde existuje elektrón.
Čo tam robí? Nevieme, nemôžeme vedieť, a preto tento problém jednoducho ignorujeme! Môžeme len povedať, že ak je elektrón na určitom orbitále, bude mať určitú energiu.
Každý orbitál má meno.
Priestor, ktorý zaberá vodíkový elektrón, sa nazýva 1s-orbitál. Jednotka tu znamená, že častica je na energetickej úrovni najbližšie k jadru. S vypovedá o tvare obežnej dráhy. S-orbitály sú sféricky symetrické okolo jadra – aspoň ako dutá guľa z pomerne hustého materiálu s jadrom v strede.
2s
Ďalší orbitál je 2 s. Je to podobné ako 1s, až na to, že najpravdepodobnejšie umiestnenie elektrónu je ďalej od jadra. Toto je orbitál druhej energetickej úrovne.
Ak sa pozriete pozorne, všimnete si, že bližšie k jadru sa nachádza ďalšia oblasť s mierne vyššou hustotou elektrónov („hustota“je ďalší spôsob, ako určiť pravdepodobnosť, že sa táto častica nachádza na určitom mieste).
2s elektróny (a 3s, 4s, atď.) trávia časť svojho času oveľa bližšie k stredu atómu, než by sa dalo očakávať. Výsledkom je mierny pokles ich energie v s-orbitáloch. Čím bližšie sú elektróny k jadru, tým nižšia je ich energia.
3s-, 4s-orbitály (a tak ďalej) sa dostávajú ďalej od stredu atómu.
P-orbitaly
Nie všetky elektróny žijú v orbitáloch s (v skutočnosti len veľmi málo z nich žije). Na prvej energetickej úrovni je pre nich jediná dostupná poloha 1 s, na druhej sa pridávajú 2 s a 2p.
Orbitály tohto typu sú skôr 2 identické balóny, ktoré sú navzájom spojené v jadre. Diagram ukazuje prierez 3-rozmernej oblasti priestoru. Opäť platí, že orbitál ukazuje iba oblasť s 95-percentnou pravdepodobnosťou nájdenia jediného elektrónu.
Ak si predstavíme horizontálnu rovinu, ktorá prechádza jadrom tak, že jedna časť obežnej dráhy bude nad rovinou a druhá pod ňou, potom je nulová pravdepodobnosť nájdenia elektrónu v tejto rovine. Ako sa teda častica dostane z jednej časti do druhej, ak nikdy nemôže prejsť rovinou jadra? Je to kvôli jeho vlnovej povahe.
Na rozdiel od s- má p-orbitál určitú smerovosť.
Na akejkoľvek energetickej úrovni môžete mať tri absolútne ekvivalentné p-orbitály umiestnené navzájom v pravom uhle. Označujú sa ľubovoľne symbolmi px, py a pz. Toto je akceptované pre pohodlie - to, čo znamená smer X, Y alebo Z, sa neustále mení, pretože atóm sa pohybuje náhodne v priestore.
P-orbitály na druhej energetickej úrovni sa nazývajú 2px, 2py a 2pz. Podobné orbitály sú aj na nasledujúcich - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz a tak ďalej.
Všetky úrovne, okrem prvej, majú p-orbitály. Na vyšších úrovniach sú „okvetné lístky“predĺženejšie, pričom najpravdepodobnejšie je umiestnenie elektrónu vo väčšej vzdialenosti od jadra.
d- a f-orbitály
Okrem orbitálov s a p sú pre elektróny na vyšších energetických úrovniach k dispozícii ďalšie dve sady orbitálov. Na treťom môže byť päť d-orbitálov (so zložitými tvarmi a názvami), ako aj 3s- a 3p-orbitály (3px, 3py, 3pz). Je ich tu celkom 9.
Na štvrtom, spolu s 4s a 4p a 4d, sa objavuje 7 ďalších f-orbitálov – celkovo 16, dostupných aj na všetkých vyšších energetických úrovniach.
Umiestnenie elektrónov v orbitáloch
Atóm si možno predstaviť ako veľmi luxusný dom (ako obrátenú pyramídu) s jadrom žijúcim na prízemí a rôznymi miestnosťami na horných poschodiach, ktoré zaberajú elektróny:
- na prvom poschodí je len 1 izba (1s);
- v druhej miestnosti sú už 4 (2s, 2px, 2py a 2pz);
- na treťom poschodí je 9 miestností (jedna 3s, tri 3p a päť 3d orbitálov) atď.
Ale izby nie sú príliš veľké. Každý z nich pojme iba 2 elektróny.
Vhodný spôsob, ako ukázať atómové dráhy, na ktorých sa tieto častice nachádzajú, je nakresliť „kvantové bunky“.
Kvantové bunky
JadrovéOrbitály môžu byť znázornené ako štvorce s elektrónmi v nich znázornenými ako šípky. Šípky nahor a nadol sa často používajú, aby ukázali, že tieto častice sú odlišné.
Potreba rôznych elektrónov v atóme je dôsledkom kvantovej teórie. Ak sú na rôznych orbitáloch, je to v poriadku, ale ak sú na rovnakej obežnej dráhe, potom medzi nimi musí byť nejaký jemný rozdiel. Kvantová teória dáva časticiam vlastnosť nazývanú "spin", čo je to, na čo odkazuje smer šípok.
Orbitál
1s s dvoma elektrónmi je zobrazený ako štvorec s dvoma šípkami smerujúcimi nahor a nadol, ale dá sa napísať aj rýchlejšie ako 1s2. Znie "jedna s dva", nie "jedna s na druhú". Čísla v týchto zápisoch by sa nemali zamieňať. Prvým je energetická hladina a druhým je počet častíc na orbitál.
Hybridizácia
V chémii je hybridizácia koncept zmiešania atómových orbitálov do nových hybridných orbitálov schopných spárovať elektróny za vzniku chemických väzieb. Sp hybridizácia vysvetľuje chemické väzby zlúčenín, ako sú alkíny. V tomto modeli sa atómové orbitály uhlíka 2s a 2p zmiešajú a vytvoria dva orbitály sp. Acetylén C2H2 pozostáva zo sp-sp spletenia dvoch atómov uhlíka s vytvorením σ-väzby a dvoch ďalších π-väzieb.
Atómové orbitály uhlíka v nasýtených uhľovodíkoch majúidentické hybridné sp3-orbitály v tvare činky, ktorých jedna časť je oveľa väčšia ako druhá.
Sp2-hybridizácia je podobná predchádzajúcim a vzniká zmiešaním jedného s a dvoch p-orbitálov. Napríklad v molekule etylénu sa vytvoria tri sp2- a jeden p-orbitál.
Atómové orbitály: princíp plnenia
Predstavte si prechody z jedného atómu na druhý v periodickej tabuľke chemických prvkov, je možné vytvoriť elektrónovú štruktúru ďalšieho atómu umiestnením ďalšej častice na najbližšiu dostupnú obežnú dráhu.
Elektróny pred naplnením vyšších energetických hladín obsadia nižšie umiestnené bližšie k jadru. Tam, kde je na výber, vyplnia orbitály jednotlivo.
Tento príkaz na vyplnenie je známy ako Hundovo pravidlo. Platí to len vtedy, keď majú atómové orbitály rovnaké energie, a tiež pomáha minimalizovať odpudzovanie medzi elektrónmi, vďaka čomu je atóm stabilnejší.
Všimnite si, že s-orbitál má vždy o niečo menej energie ako p orbitál na rovnakej energetickej úrovni, takže prvý sa vždy naplní skôr ako druhý.
Čo je naozaj zvláštne, je poloha 3D orbitálov. Sú na vyššej úrovni ako 4s, a tak sa najskôr zaplnia 4s orbitály, po ktorých nasledujú všetky 3d a 4p orbitály.
Rovnaký zmätok nastáva na vyšších úrovniach s viacerými väzbami medzi nimi. Preto napríklad atómové orbitály 4f nie sú zaplnené, kým všetky miesta na6 s.
Znalosť poradia plnenia je základom pre pochopenie toho, ako opísať elektronické štruktúry.
