Kimya ve fizikte, atomik orbitaller, bir molekülde olduğu gibi bir atom çekirdeğinin veya çekirdek sisteminin çevresindeki ikiden fazla elektronun karakteristik özelliklerini tanımlayan dalga fonksiyonu adı verilen bir fonksiyondur. Bir yörünge genellikle içinde elektron bulma olasılığının yüzde 95 olduğu üç boyutlu bir bölge olarak tasvir edilir.
Yörüngeler ve yörüngeler
Bir gezegen Güneş'in etrafında hareket ettiğinde yörünge adı verilen bir yol izler. Benzer şekilde, bir atom, çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde dönen elektronlar olarak temsil edilebilir. Aslında, işler farklıdır ve elektronlar, atomik orbitaller olarak bilinen uzay bölgelerindedir. Kimya, Schrödinger dalga denklemini hesaplamak ve buna göre elektronun olası durumlarını belirlemek için atomun basitleştirilmiş bir modeliyle yetinir.
Yörüngeler ve yörüngeler kulağa benzer gelebilir ancak tamamen farklı anlamları vardır. Aralarındaki farkı anlamak son derece önemlidir.
Yörüngeleri görüntülemek imkansız
Bir şeyin yörüngesini çizmek için nesnenin tam olarak nerede olduğunu bilmeniz gerekirbulunur ve bir anda nerede olacağını belirleyebilir. Bu bir elektron için imkansızdır.
Heisenberg belirsizlik ilkesine göre, bir parçacığın şu anda nerede olduğunu ve daha sonra nerede olacağını tam olarak bilmek imkansızdır. (Aslında ilke, momentumunu ve momentumunu aynı anda ve mutlak bir doğrulukla belirlemenin imkansız olduğunu söylüyor).
Bu nedenle, çekirdeğin etrafında elektronun yörüngesini oluşturmak imkansızdır. Bu büyük bir sorun mu? Numara. Bir şey mümkün değilse, kabul edilmeli ve etrafında yollar bulunmalıdır.
Hidrojen elektronu – 1s-orbital
Bir hidrojen atomu olduğunu ve zaman içinde belirli bir noktada bir elektronun konumunun grafik olarak yazdırıldığını varsayalım. Kısa bir süre sonra prosedür tekrarlanır ve gözlemci parçacığın yeni bir konumda olduğunu bulur. Birincilikten ikinciliğe nasıl geldiği bilinmiyor.
Bu şekilde devam ederseniz, yavaş yavaş parçacığın muhtemel olduğu yerin bir tür 3D haritasını oluşturacaksınız.
Hidrojen atomu söz konusu olduğunda, elektron çekirdeği çevreleyen küresel uzayda herhangi bir yerde olabilir. Diyagram, bu küresel uzayın bir kesitini göstermektedir.
Zamanın %95'inde (veya başka bir yüzdede, çünkü yalnızca evrenin boyutu yüzde yüz kesinlik sağlayabilir) elektron, çekirdeğe yeterince yakın, oldukça kolay tanımlanmış bir uzay bölgesi içinde olacaktır. Böyle bir bölgeye yörünge denir. Atomik yörüngelerbir elektronun bulunduğu uzay bölgeleri.
Orada ne yapıyor? Bilmiyoruz, bilemeyiz ve bu nedenle bu sorunu görmezden geliyoruz! Sadece bir elektron belirli bir yörüngedeyse, o zaman belirli bir enerjiye sahip olacağını söyleyebiliriz.
Her yörüngenin bir adı vardır.
Hidrojen elektronunun kapladığı alana 1s-yörüngesi denir. Buradaki birim, parçacığın çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde olduğu anlamına gelir. S yörüngenin şeklini anlatır. S-yörüngeleri çekirdek etrafında küresel olarak simetriktir - en azından merkezinde bir çekirdek bulunan oldukça yoğun malzemeden yapılmış içi boş bir top gibi.
2s
Bir sonraki yörünge 2s. Elektronun en olası konumunun çekirdekten daha uzakta olması dışında 1s'ye benzer. Bu, ikinci enerji seviyesinin bir yörüngesidir.
Yakından bakarsanız, çekirdeğe daha yakın bir yerde biraz daha yüksek elektron yoğunluğuna sahip başka bir bölge olduğunu fark edeceksiniz ("yoğunluk", bu parçacığın belirli bir yerde bulunma olasılığını göstermenin başka bir yoludur).
2s elektronları (ve 3s, 4s, vb.) zamanlarının bir kısmını atomun merkezine tahmin edilenden çok daha yakın geçirirler. Bunun sonucu, s-orbitallerindeki enerjilerinde hafif bir azalmadır. Elektronlar çekirdeğe yaklaştıkça enerjileri azalır.
3s-, 4s-orbitalleri (vb.) atomun merkezinden uzaklaşıyor.
P-orbitalleri
Tüm elektronlar s orbitallerinde yaşamaz (aslında bunların çok azı yaşar). İlk enerji seviyesinde, onlar için mevcut olan tek yer 1'ler, ikinci enerji seviyesinde 2'ler ve 2p eklenir.
Bu tür yörüngeler daha çok birbirine çekirdekten bağlı 2 özdeş balon gibidir. Diyagram, 3 boyutlu bir uzay bölgesinin bir kesitini göstermektedir. Yine, yörünge yalnızca tek bir elektron bulma şansının yüzde 95 olduğu alanı gösterir.
Yörüngenin bir kısmı düzlemin üstünde ve diğer kısmı onun altında olacak şekilde çekirdeğin içinden geçen yatay bir düzlem hayal edersek, bu düzlemde elektron bulma olasılığı sıfırdır.. Peki, çekirdek düzleminden asla geçemeyen bir parçacık bir parçadan diğerine nasıl geçer? Bunun nedeni dalga doğasıdır.
s-'nin aksine, p-orbitalinin belirli bir yönlülüğü vardır.
Herhangi bir enerji seviyesinde, birbirine dik açılarda yerleştirilmiş kesinlikle eşdeğer üç p-orbitaliniz olabilir. Bunlar keyfi olarak px, py ve pz sembolleriyle gösterilir. Bu, kolaylık sağlamak için kabul edilir - atom uzayda rastgele hareket ettikçe X, Y veya Z yönleri ile kastedilen sürekli değişmektedir.
İkinci enerji seviyesindeki P-orbitallerine 2px, 2py ve 2pz denir.. Sonrakilerde benzer yörüngeler vardır - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz vb.
Birincisi hariç tüm seviyelerin p-orbitalleri vardır. Daha yüksek seviyelerde, "yapraklar" daha uzundur ve elektronun en olası konumu çekirdekten daha uzaktır.
d- ve f-orbitalleri
s ve p orbitallerine ek olarak, daha yüksek enerji seviyelerindeki elektronların kullanabileceği iki orbital seti daha vardır. Üçüncüsünde, beş d-yörüngesi (karmaşık şekil ve adlara sahip) ve ayrıca 3s- ve 3p-orbitalleri (3px, 3py) olabilir., 3pz). Burada toplam 9 tane var.
Dördüncüde, 4s ve 4p ve 4d ile birlikte 7 ek f-orbital belirir - toplamda 16, ayrıca tüm yüksek enerji seviyelerinde mevcuttur.
Yörüngelerdeki elektronların yerleşimi
Bir atom, zemin katta bir çekirdeğe sahip ve üst katlarda elektronlar tarafından işgal edilen çeşitli odalara sahip çok süslü bir ev (ters piramit gibi) olarak düşünülebilir:
- birinci katta sadece 1 oda var (1s);
- ikinci odada zaten 4 (2s, 2px, 2py ve 2pz var));
- Üçüncü katta 9 oda var (bir 3s, üç 3p ve beş 3d yörünge) ve böyle devam ediyor.
Ama odalar çok büyük değil. Her biri sadece 2 elektron tutabilir.
Bu parçacıkların içinde bulunduğu atomik yörüngeleri göstermenin uygun bir yolu, "kuantum hücreleri" çizmektir.
Kuantum hücreleri
NükleerYörüngeler, içlerindeki elektronlar oklarla gösterilen kareler olarak temsil edilebilir. Genellikle bu parçacıkların farklı olduğunu göstermek için yukarı ve aşağı oklar kullanılır.
Bir atomda farklı elektronlara duyulan ihtiyaç, kuantum teorisinin bir sonucudur. Farklı yörüngelerdeyseler, sorun değil, ama aynı yörüngedeyseler, aralarında çok ince bir fark olmalı. Kuantum teorisi, parçacıklara okların yönünün ifade ettiği "spin" adı verilen bir özellik verir.
İki elektronlu
1s orbitali, iki ok yukarı ve aşağıyı gösteren bir kare olarak gösterilir, ancak 1s2 olarak daha da hızlı yazılabilir. "Bir s iki" yazıyor, "bir s kare" değil. Bu gösterimlerdeki sayılar karıştırılmamalıdır. Birincisi enerji seviyesi, ikincisi ise yörünge başına düşen parçacık sayısıdır.
Hibridizasyon
Kimyada hibridizasyon, atom orbitallerini kimyasal bağlar oluşturmak için elektronları eşleştirebilen yeni hibrit orbitallerle karıştırma kavramıdır. Sp hibridizasyonu, alkinler gibi bileşiklerin kimyasal bağlarını açıklar. Bu modelde, 2s ve 2p karbon atomik orbitalleri, iki sp orbitali oluşturmak üzere karışır. Asetilen C2H2, iki karbon atomunun bir sp-sp dolaşıklığından ve bir σ-bağ ve iki ek π-bağından oluşur.
Doymuş hidrokarbonlardaki karbonun atom yörüngeleribir kısmı diğerinden çok daha büyük olan, dambıl şeklinde olan özdeş hibrit sp3-yörüngeleri.
Sp2-hibridizasyon öncekilere benzer ve bir s ve iki p-orbitalinin karıştırılmasıyla oluşturulur. Örneğin, bir etilen molekülünde üç sp2- ve bir p-orbital oluşur.
Atomik orbitaller: doldurma prensibi
Kimyasal elementlerin periyodik tablosunda bir atomdan diğerine geçişleri hayal ederek, bir sonraki mevcut yörüngeye ilave bir parçacık yerleştirerek bir sonraki atomun elektronik yapısını oluşturabilirsiniz.
Elektronlar, daha yüksek enerji seviyelerini doldurmadan önce, çekirdeğe daha yakın olan alt seviyeleri işgal eder. Bir seçeneğin olduğu yerde, yörüngeleri ayrı ayrı doldururlar.
Bu doldurma sırası Hund kuralı olarak bilinir. Yalnızca atomik orbitaller eşit enerjiye sahip olduğunda geçerlidir ve ayrıca elektronlar arasındaki itmeyi en aza indirerek atomu daha kararlı hale getirmeye yardımcı olur.
S-yörüngesinin aynı enerji seviyesinde her zaman p yörüngesinden biraz daha az enerjiye sahip olduğuna dikkat edin, bu nedenle birincisi her zaman ikincisinden önce dolar.
Gerçekten garip olan şey 3 boyutlu yörüngelerin konumu. 4s'den daha yüksek bir seviyedeler ve bu nedenle önce 4s orbitalleri doluyor, ardından tüm 3d ve 4p orbitalleri doluyor.
Aynı karışıklık, aralarında daha fazla örgü olan daha yüksek seviyelerde meydana gelir. Bu nedenle, örneğin, 4f atomik orbitalleri, üzerindeki tüm yerler doldurulana kadar doldurulmaz.6s.
Doldurma sırasını bilmek, elektronik yapıların nasıl tanımlanacağını anlamak için çok önemlidir.
