ATOMISKA ORBITALER: VAD DE BESTÅR AV OCH TYPER - KEMI - 2026

De atomorbitaler är de områden av den atom som definieras av en vågfunktion för elektroner. Vågfunktioner är matematiska uttryck erhållna genom att lösa Schrödinger-ekvationen. Dessa beskriver energitillståndet för en eller flera elektroner i rymden, liksom sannolikheten för att hitta det.

Detta fysiska koncept, som används av kemister för att förstå bindningen och det periodiska systemet, betraktar elektronen som en våg och en partikel på samma gång. Därför förkastas bilden av solsystemet, där elektronerna är planeter som roterar i banor runt kärnan eller solen.

Källa: By haade, via Wikimedia Commons

Denna föråldrade visualisering är praktiskt när man illustrerar atomens energinivåer. Till exempel: en cirkel omgiven av koncentriska ringar som representerar banorna och deras statiska elektroner. I själva verket är detta den bild som atomen introduceras till barn och ungdomar med.

Men den verkliga atomstrukturen är för komplex för att till och med ha en grov bild av den.

Då man betraktade elektronen som en vågpartikel och att lösa Schrödingers differentiella ekvation för väteatomen (det enklaste systemet av alla) erhölls de berömda kvantantalet.

Dessa siffror indikerar att elektroner inte kan uppta någon plats i atomen, utan bara de som följer en diskret och kvantiserad energinivå. Det matematiska uttrycket för ovanstående kallas en vågfunktion.

Således beräknades en rad energitillstånd styrda av kvantantal från väteatomen. Dessa energitillstånd kallades atomiska orbitaler.

Men dessa beskrev bara var en elektron befinner sig i en väteatom. För andra atomer, polyelektronik, från helium och framåt, gjordes en orbital approximation. Varför? För att lösa Schrödinger-ekvationen för atomer med två eller flera elektroner är mycket komplicerat (även med nuvarande teknik).

Vad är atomiska orbitaler?

Atomiska orbitaler är vågfunktioner som består av två komponenter: en radiell och en vinkel. Detta matematiska uttryck är skrivet som:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

Även om det kan verka komplicerat till en början, bör du notera att kvantumren n, l och ml anges med små bokstäver. Detta betyder att dessa tre siffror beskriver kretsloppet. R _nl (r), bättre känd som den radiella funktionen, beror på nyl; medan Y _lml (θϕ), vinkelfunktion, beror på l och ml.

I den matematiska ekvationen finns också variablerna r, avståndet till kärnan och θ och ϕ. Resultatet av all denna uppsättning ekvationer är en fysisk representation av orbitalerna. Vilken? Den som ses på bilden ovan. Där visas en serie orbitaler som kommer att förklaras i följande avsnitt.

Deras former och design (inte färgerna) kommer från att kurva vågfunktionerna och deras radiella och vinklade komponenter i rymden.

Radialvågfunktion

Såsom ses i ekvationen beror R _nl (r) på både n och l. Så den radiella vågfunktionen beskrivs av den huvudsakliga energinivån och dess undernivåer.

Om elektronen kunde fotograferas oavsett riktning, kunde en oändligt liten punkt observeras. Sedan, med miljoner fotografier, kan det detaljeras hur punktmoln förändras som en funktion av avståndet till kärnan.

På detta sätt kan molnens densitet i avstånd och nära kärnan jämföras. Om samma operation upprepades men med en annan energinivå eller undernivå, skulle ett annat moln bildas som omsluter den föregående. Mellan de två finns det ett litet utrymme där elektronen aldrig finns; detta är vad som kallas en radiell nod.

I molnen finns det också regioner med högre och lägre elektrondensitet. När de blir större och längre från kärnan har de mer radiella noder; och dessutom ett avstånd r där elektronen rundar oftare och är mer troligt att hittas.

Vinkelvågfunktion

Återigen är det känt från ekvationen att Y _lml (θϕ) huvudsakligen beskrivs av kvanttalen l och ml. Denna gång deltar den i det magnetiska kvantantalet, därför definieras elektronens riktning i rymden; och denna riktning kan graferas från de matematiska ekvationerna som involverar variablerna θ och ϕ.

Nu fortsätter vi inte att ta fotografier, utan spela in en video av banan för elektronen i atomen. I motsats till det föregående experimentet vet man inte exakt var elektronen är, men vart den ska.

När elektronen rör sig, beskriver den ett mer definierat moln; i själva verket en sfärisk figur, eller en med flikar, som de som ses i bilden. Typen av figurer och deras riktning i rymden beskrivs av l och ml.

Det finns regioner, nära kärnan, där elektronen inte passerar och figuren försvinner. Sådana regioner är kända som hörnoder.

Om du till exempel tittar på det första sfäriska kretsloppet kommer du snabbt till slutsatsen att det är symmetriskt i alla riktningar; emellertid är detta inte fallet med de andra orbitalerna, vars former avslöjar tomma utrymmen. Dessa kan observeras vid ursprunget till det kartesiska planet, och i de imaginära planen mellan flikarna.

Sannolikhet för att hitta elektron och kemisk bindning

Källa: Av CK-12 Foundation (File: High School Chemistry.pdf, sida 265), via Wikimedia Commons

För att bestämma den verkliga sannolikheten för att hitta en elektron i en omloppsbana måste de två funktionerna beaktas: radiell och vinklad. Därför räcker det inte att anta vinkelkomponenten, det vill säga den illustrerade formen på orbitalerna, utan också hur deras elektrondensitet förändras med avseende på avståndet från kärnan.

Eftersom anvisningarna (ml) skiljer en orbital från en annan är det emellertid praktiskt (även om det kanske inte är helt korrekt) att bara beakta banans form. På detta sätt förklaras beskrivningen av den kemiska bindningen genom överlappningen av dessa figurer.

Till exempel är ovan en jämförande bild av tre orbitaler: 1s, 2s och 3s. Notera dess radiella noder inom. 1s-kretsloppet har ingen nod, medan de andra två har en och två noder.

När man överväger en kemisk bindning är det lättare att bara tänka på den sfäriska formen på dessa orbitaler. På detta sätt närmar sig ns-banan en annan, och på avstånd r kommer elektron att bilda en bindning med elektronen i den angränsande atomen. Härifrån uppstår flera teoretiker (TEV och TOM) som förklarar denna länk.

Hur symboliseras de?

Atomiska orbitaler symboliseras uttryckligen som: nl _ml .

Kvanttalen har heltal 0, 1, 2 etc., men för att symbolisera orbitalerna kvarstår bara ett numeriskt värde n. Medan för l ersätts hela siffran med motsvarande bokstav (er, p, d, f); och för ml, en variabel eller matematisk formel (med undantag för ml = 0).

Till exempel för 1-orbitalen: n = 1, s = 0 och ml = 0. Detsamma gäller för alla ns orbitaler (2s, 3s, 4s, etc.).

För att symbolisera resten av orbitalerna är det nödvändigt att adressera deras typer, var och en med sina egna energinivåer och egenskaper.

typer

Orbitaler s

Kvanttalen l = 0 och ml = 0 (utöver deras radiella och vinklade komponenter) beskriver ett kretslopp med en sfärisk form. Det här är den som leder pyramiden av orbitaler i den ursprungliga bilden. Som man också kan se på bilden av de radiella noderna kan det förväntas att 4s, 5s och 6s orbitals har tre, fyra och fem noder.

De kännetecknas av att de är symmetriska och deras elektroner upplever en effektivare kärnladdning. Detta beror på att dess elektroner kan tränga in i inre skal och sväva mycket nära kärnan, vilket utövar en positiv attraktion på dem.

Därför finns det en sannolikhet för att en 3-tals elektron kan tränga in i 2s och 1s orbital, närmar sig kärnan. Detta faktum förklarar varför en atom med sp hybrid orbitaler är mer elektronegativ (med en större tendens att locka elektronisk densitet från dess närliggande atomer) än en med sp ³ hybridisering .

Således är elektronerna i orbitalerna de som upplever kärnan laddar mest och är mer energiskt stabila. Tillsammans utövar de en skärmande effekt på elektroner i andra subnivåer eller orbitaler; det vill säga de minskar den faktiska kärnladdningen Z som upplevs av de yttersta elektronerna.

Orbitaler p

Källa: David Manthey via Wikipedia

P-orbitalerna har kvanttalen l = 1 och med värden på ml = -1, 0, +1. Det vill säga en elektron i dessa orbitaler kan ta tre riktningar, som representeras som gula hantlar (enligt bilden ovan).

Observera att varje hantel är belägen längs en kartesisk x-, y- och z-axel. Därför betecknas den p-orbital som ligger på x-axeln som p _x ; den på y, p _y- axeln ; och om det pekar vinkelrätt mot xy-planet, det vill säga på z-axeln, är det p _z .

Alla orbitaler är vinkelräta mot varandra, det vill säga de bildar en vinkel på 90º. På samma sätt försvinner vinkelfunktionen i kärnan (ursprunget till den kartesiska axeln), och det finns bara sannolikheten för att hitta elektronen i lobarna (vars elektrondensitet beror på den radiella funktionen).

Dålig skärmande effekt

Elektroner i dessa orbitaler kan inte tränga in i innerhöljen lika lätt som s orbitaler. Jämförs deras former verkar p-orbitalerna vara närmare kärnan; emellertid hittas de ns elektronerna oftare runt kärnan.

Vad är konsekvensen av ovanstående? Att en np-elektron upplever en lägre effektiv kärnkraftsladdning. Dessutom reduceras det senare ytterligare genom skärmningseffekten av orbitalerna. Detta förklarar till exempel varför en atom med sp ³ hybrid orbitaler är mindre elektronegativ än en med sp ² eller sp orbitaler .

Det är också viktigt att notera att varje hantel har ett vinkelnodplan, men inga radiella noder (endast 2p-orbitalen). Det vill säga, om det skivades skulle det inte finnas några lager inuti som med 2-talets kretslopp; men från 3p-banan och framåt bör radiella noder observeras.

Dessa vinkelnoder är ansvariga för de yttersta elektronerna som har en dålig skärmande effekt. Till exempel skyddar 2s-elektronerna de i 2p-orbitalerna bättre än 2p-elektronerna skärmar de i 3-talsbanan.

Px, Py och Pz

Eftersom värdena på ml är -1, 0 och +1 representerar vardera en Px, Py eller Pz orbital. Totalt kan de rymma sex elektroner (två för varje omloppsbana). Detta faktum är avgörande för att förstå den elektroniska konfigurationen, det periodiska systemet och elementen som utgör det så kallade p-blocket.

Orbitaler d

Källa: Av Hanilakkis0528, från Wikimedia Commons

D-orbitalerna har värden l = 2 och ml = -2, -1, 0, +1, +2. Det finns därför fem orbitaler som kan innehålla tio elektroner totalt. De fem vinkelfunktionerna för d-orbitalerna representeras i bilden ovan.

De första, 3d-orbitalerna, saknar radiella noder, men alla de andra, utom d _z2- omloppet , har två nodplan; inte bildens plan, eftersom dessa bara visar i vilka axlar de orange flikarna med former av klöverblad finns. De två nodplanen är de som halverar vinkelrätt mot det grå planet.

Deras former gör dem ännu mindre effektiva för att skydda den effektiva kärnkraftsladdningen. Varför? Eftersom de har fler noder, genom vilka kärnan kan locka externa elektroner.

Därför bidrar alla orbitaler till en mindre uttalad ökning av atomradie från en energinivå till en annan.

Orbitaler f

Källa: Av Geek3, från Wikimedia Commons

Slutligen har f-orbitalerna kvanttal med värdena l = 3 och ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Det finns sju f orbitaler för totalt fjorton elektroner. Dessa orbitaler blir tillgängliga från period 6, ytligt symboliserade som 4f.

Var och en av vinkelfunktionerna representerar lobar med intrikata former och flera nodplan. Därför skyddar de de externa elektronerna ännu mindre och detta fenomen förklarar vad som kallas lantanidkontraktion.

Av detta skäl finns det för tunga atomer ingen uttalad variation i deras atomradier från en nivå n till en annan n + 1 (till exempel 6n till 7n). Hittills är 5f-orbitalerna de sista som finns i naturliga eller konstgjorda atomer.

Med allt detta i åtanke öppnas en klyfta mellan det som kallas banan och orbitalerna. Även om de är tekniskt liknar de i själva verket mycket olika.

Begreppet atomomloppet och omloppsbenämningen har gjort det möjligt att förklara den kemiska bindningen och hur den på ett eller annat sätt kan påverka molekylstrukturen.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi. (Fjärde upplagan, s. 13-8). Mc Graw Hill.
2. Harry B. Gray. (1965). Elektroner och kemisk limning. WA Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube. (Sf). Atomiska orbitaler och kvantantal. Återställd från: quimitube.com
4. Nave CR (2016). Visualisering av elektroniska orbitaler. Återställdes från: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Atomiska orbitaler. Återställd från: chemguide.co.uk
6. Kvantberättelser. (26 augusti 2011). Atomiska orbitaler, en gymnasiet ligger. Återställd från: cuentos-cuanticos.com