Οι ατομικές τροχιές στο τι αποτελούνται, πώς συμβολίζονται και τύποι

Το ατομικά τροχιακά είναι εκείνες οι περιοχές του ατόμου που ορίζονται από μια συνάρτηση κυμάτων για τα ηλεκτρόνια. Οι λειτουργίες κυμάτων είναι μαθηματικές εκφράσεις που λαμβάνονται από την ανάλυση της εξίσωσης Schrödinger. Αυτά περιγράφουν την ενεργειακή κατάσταση ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων στο διάστημα, καθώς και την πιθανότητα εξεύρεσης.

Αυτή η φυσική έννοια, που εφαρμόζεται από τους χημικούς για την κατανόηση του συνδέσμου και του περιοδικού πίνακα, θεωρεί το ηλεκτρόνιο ως κύμα και σωματίδιο ταυτόχρονα. Επομένως, η εικόνα του ηλιακού συστήματος απορρίπτεται, όπου τα ηλεκτρόνια είναι πλανήτες που περιστρέφονται σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα ή τον ήλιο.

Αυτή η παρωχημένη απεικόνιση είναι πρακτική όταν απεικονίζει τα ενεργειακά επίπεδα του ατόμου. Για παράδειγμα: ένας κύκλος που περιβάλλεται από ομόκεντρους δακτυλίους που αντιπροσωπεύουν τις τροχιές και τα στατικά ηλεκτρόνια τους. Στην πραγματικότητα, αυτή είναι η εικόνα με την οποία το άτομο εισάγεται στα παιδιά και τους νέους.

Ωστόσο, η αληθής ατομική δομή είναι πολύ περίπλοκη για να έχει ακόμη μια εικόνα κατά προσέγγιση.

Λαμβάνοντας υπόψη τότε το ηλεκτρόνιο ως κύμα-σωματίδιο, και την επίλυση του Schrödinger εξίσωση απόκλιση για το άτομο υδρογόνου (η απλούστερη όλων συστήματος), τα διάσημα κβαντικών αριθμών που λαμβάνεται.

Αυτοί οι αριθμοί δείχνουν ότι τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να καταλάβουν κανένα μέρος του ατόμου, αλλά μόνο εκείνα που υπακούν σε ένα επίπεδο διακριτικής και κβαντισμένης ενέργειας. Η μαθηματική έκφραση των παραπάνω είναι γνωστή ως λειτουργία κύματος.

Έτσι, από το άτομο υδρογόνου, εκτιμήθηκαν μια σειρά από ενεργειακές καταστάσεις που διέπονται από κβαντικούς αριθμούς. Αυτές οι ενεργειακές καταστάσεις ονομάστηκαν ατομικές τροχιές.

Όμως, αυτά περιγράφουν μόνο τον εντοπισμό ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου. Για άλλα άτομα, η πολυηλεκτρονική, από το ήλιο και μετά, έκανε μια τροχιακή προσέγγιση. Γιατί; Επειδή η ανάλυση της εξίσωσης Schrödinger για άτομα με δύο ή περισσότερα ηλεκτρόνια είναι πολύ περίπλοκη (ακόμα και με την τρέχουσα τεχνολογία).

Ευρετήριο

• 1 Ποια είναι τα ατομικά τροχιακά?
  • 1.1 Λειτουργία ακτινικών κυμάτων
  • 1.2 Λειτουργία γωνιακού κύματος
  • 1.3 Πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίου και χημικού δεσμού
• 2 Πώς συμβολίζουν?
• 3 τύποι
  • 3.1 Ορχιδέες
  • 3.2 Ορχιδέες σ
  • 3.3 Τροχιά d
  • 3.4 Τα τροχιακά
• 4 Αναφορές

Ποια είναι τα ατομικά τροχιακά?

Τα ατομικά τροχιακά είναι λειτουργίες κύματος που αποτελούνται από δύο συνιστώσες: ένα ακτινικό και ένα γωνιακό. Αυτή η μαθηματική έκφραση γράφεται ως εξής:

Ψ_nlml = R_nl(r) · Υ_lml(θφ)

Παρόλο που στην αρχή μπορεί να φαίνεται περίπλοκο, σημειώστε τους κβαντικούς αριθμούς n, l και ml Αυτά υποδεικνύονται με μικρά γράμματα. Αυτό σημαίνει ότι αυτοί οι τρεις αριθμοί περιγράφουν το τροχιακό. R_nl(r), πιο γνωστή ως η ακτινική λειτουργία, εξαρτάται από n και l? ενώ Y_lml(θφ), η γωνιακή λειτουργία, εξαρτάται από l και ml.

Στη μαθηματική εξίσωση υπάρχουν και οι μεταβλητές r, η απόσταση από τον πυρήνα, και θ και φ. Το αποτέλεσμα όλων αυτών των συνόλων εξισώσεων είναι μια φυσική αναπαράσταση των τροχιακών. Τι; Αυτό που βλέπετε στην εικόνα παραπάνω. Υπάρχει μια σειρά τροχιακών που θα εξηγηθούν στις επόμενες ενότητες.

Τα σχήματα και τα σχέδια του (όχι τα χρώματα) προέρχονται από την απεικόνιση στο χώρο των κυματοειδών λειτουργιών και των ακτινικών και γωνιακών συνιστωσών τους.

Λειτουργία ακτινωτού κύματος

Όπως φαίνεται στην εξίσωση, η R_nl(r) εξαρτάται τόσο πολύ από n από την l. Στη συνέχεια, η λειτουργία ακτινικού κύματος περιγράφεται από το κύριο επίπεδο ενέργειας και τα υπο-επίπεδα.

Αν μπορούσε να ληφθεί μια φωτογραφία του ηλεκτρονίου χωρίς να ληφθεί υπόψη η κατεύθυνσή του, θα μπορούσε να παρατηρηθεί ένα άπειρο σημείο. Στη συνέχεια, λαμβάνοντας εκατομμύρια φωτογραφίες, θα μπορούσατε να περιγράψετε πώς αλλάζει το σύννεφο σημείων με βάση την απόσταση από τον πυρήνα.

Με αυτό τον τρόπο, η πυκνότητα του σύννεφου μπορεί να συγκριθεί στις αποστάσεις και την εγγύτητα του πυρήνα. Εάν επαναληφθεί η ίδια λειτουργία αλλά με άλλο ενεργειακό επίπεδο ή υπο-επίπεδο, θα σχηματιστεί ένα άλλο σύννεφο που θα περικλείει το προηγούμενο. Μεταξύ των δύο υπάρχει ένας μικρός χώρος όπου το ηλεκτρόνιο δεν βρίσκεται ποτέ. αυτό είναι γνωστό ως ακτινικό κόμβο.

Επίσης, στα σύννεφα υπάρχουν περιοχές με υψηλότερη και χαμηλότερη ηλεκτρονική πυκνότητα. Καθώς γίνονται μεγαλύτερα και απομακρύνονται από τον πυρήνα, έχουν περισσότερους ακτινικούς κόμβους. και επίσης, μια απόσταση r όπου το ηλεκτρόνιο πηγαίνει πιο συχνά και είναι πιο πιθανό να το βρει.

Λειτουργία γωνιακού κύματος

Και πάλι, από την εξίσωση είναι γνωστό ότι το Υ_lml(θφ) περιγράφεται κυρίως με κβαντικούς αριθμούς l και ml. Αυτή τη φορά συμμετέχει στον μαγνητικό κβαντικό αριθμό, επομένως, καθορίζεται η διεύθυνση του ηλεκτρονίου στο διάστημα. και αυτή η διεύθυνση μπορεί να γραφεί από τις μαθηματικές εξισώσεις που περιλαμβάνουν τις μεταβλητές θ και φ.

Τώρα, δεν προχωρούμε να φωτογραφίζουμε, αλλά να καταγράψουμε ένα βίντεο της διαδρομής του ηλεκτρονίου στο άτομο. Σε αντίθεση με το προηγούμενο πείραμα, είναι άγνωστο πού ακριβώς είναι το ηλεκτρόνιο, αλλά πού πηγαίνει.

Όταν μετακινείται, το ηλεκτρόνιο περιγράφει ένα πιο καθορισμένο σύννεφο. στην πραγματικότητα, ένα σφαιρικό σχήμα, ή ένα με λοβούς, όπως αυτά που φαίνονται στην εικόνα. Ο τύπος των σχημάτων και η κατεύθυνσή τους στο διάστημα περιγράφονται από l και ml.

Υπάρχουν περιοχές, κοντά στον πυρήνα, όπου το ηλεκτρόνιο δεν διέρχεται και το σχήμα εξαφανίζεται. Τέτοιες περιοχές είναι γνωστές ως γωνιακοί κόμβοι.

Για παράδειγμα, αν παρατηρηθεί το πρώτο σφαιρικό τροχιακό, συνάγεται γρήγορα ότι είναι συμμετρική προς όλες τις κατευθύνσεις. Ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει με τα άλλα τροχιακά, των οποίων τα σχήματα αποκαλύπτουν κενές θέσεις. Αυτά μπορούν να παρατηρηθούν στην προέλευση του καρτεσιανού επιπέδου, και στα φανταστικά επίπεδα μεταξύ των λοβών.

Πιθανότητα εύρεσης του δεσμού ηλεκτρονίων και χημικών

Για να προσδιοριστεί η πραγματική πιθανότητα εύρεσης ενός ηλεκτρονίου σε τροχιά, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι δύο λειτουργίες: ακτινική και γωνιακή. Επομένως, δεν είναι αρκετό να υποθέσουμε το γωνιακό συστατικό, δηλαδή την εικονογραφημένη μορφή των τροχιακών, αλλά και πώς αλλάζει η ηλεκτρονική της πυκνότητα σε σχέση με την απόσταση του πυρήνα..

Ωστόσο, επειδή οι διευθύνσεις (ml) διακρίνει ένα τροχιά από το άλλο, είναι πρακτικό (αν και ίσως όχι εντελώς σωστό) να εξετάσει μόνο το σχήμα του. Με τον τρόπο αυτό, η περιγραφή του χημικού δεσμού εξηγείται από την επικάλυψη αυτών των αριθμών.

Για παράδειγμα, μια συγκριτική εικόνα τριών τροχιακών εμφανίζεται παραπάνω: 1s, 2s και 3s. Παρατηρήστε τους ακτινικούς κόμβους του μέσα. Η τροχιά του 1s στερείται έναν κόμβο, ενώ οι άλλοι δύο έχουν έναν και δύο κόμβους.

Κατά την εξέταση ενός χημικού δεσμού, είναι ευκολότερο να έχουμε κατά νου μόνο το σφαιρικό σχήμα αυτών των τροχιακών. Με αυτό τον τρόπο, το ns τροχιακό προσεγγίζει ένα άλλο, και σε απόσταση r, το ηλεκτρόνιο θα σχηματίσει έναν δεσμό με το ηλεκτρόνιο του γειτονικού ατόμου. Από εδώ προκύπτουν αρκετά θεωρητικά (TEV και TOM) που εξηγούν αυτόν τον σύνδεσμο.

Πώς συμβολίζουν?

Οι ατομικές τροχιές, ρητά, συμβολίζονται ως: nl_ml.

Οι κβαντικοί αριθμοί παίρνουν ολόκληρες αξίες 0, 1, 2, κλπ., Αλλά για να συμβολίζουν μόνο τα τροχιακά n μια αριθμητική τιμή Ενώ για l, Ολόκληρος ο αριθμός αντικαθίσταται από το αντίστοιχο γράμμα του (s, p, d, f). και για ml, ένας μεταβλητός ή μαθηματικός τύπος (εκτός από το ml= 0).

Για παράδειγμα, για την τροχιά του 1ου: n= 1, s = 0, και ml= 0 Το ίδιο ισχύει και για όλες τις τροχιές ns (2s, 3s, 4s, κ.λπ.).

Για να συμβολιστούν τα υπόλοιπα τροχιακά, είναι απαραίτητο να αντιμετωπίσουμε τους τύπους τους, καθένα από τα επίπεδα ενέργειας και τα δικά του χαρακτηριστικά.

Τύποι

Τα τροχιακά

Οι κβαντικοί αριθμοί l= 0, και ml= 0 (εκτός από την ακτινική τους και γωνιακή συστατικά) περιγράφουν μια τροχιακή σφαιρικό σχήμα. Αυτό είναι ό, τι βρίσκεται στην κορυφή της πυραμίδας τροχιακά της αρχικής εικόνας. Επίσης, όπως φαίνεται στην εικόνα της ακτινικής κόμβους, μπορεί να αναμένεται ότι θα 4s, 5s και 6s τροχιακά έχουν τρία, τέσσερα και πέντε κόμβους.

Χαρακτηρίζονται από το ότι είναι συμμετρικά και τα ηλεκτρόνια τους βιώνουν ένα αποτελεσματικότερο πυρηνικό φορτίο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια τους μπορούν να διεισδύσουν στα εσωτερικά στρώματα και να πετάξουν πολύ κοντά στον πυρήνα, ο οποίος ασκεί θετική έλξη σε αυτά.

Ως εκ τούτου, υπάρχει μια πιθανότητα ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να διαπεράσει τα 3s τροχιακό 1s και 2s, πλησιάζει τον πυρήνα. Αυτό εξηγεί γιατί ένα άτομο με sp υβριδικά τροχιακά είναι περισσότερο ηλεκτραρνητικό (πάνω τάση να προσελκύσει ηλεκτρονιακή πυκνότητα των γειτονικών ατόμων) που υβριδοποιήθηκαν sp³.

Έτσι, τα ηλεκτρόνια των τροχιακών είναι εκείνα που βιώνουν περισσότερο το φορτίο του πυρήνα και είναι πιο ενεργά σταθερά. Μαζί, ασκούν θωράκιση στα ηλεκτρόνια άλλων υπο-επιπέδων ή τροχιακών. δηλαδή, μειώνουν το πραγματικό πυρηνικό φορτίο Ζ που βιώνουν τα πιο εξωτερικά ηλεκτρόνια.

Ορχιδέες σ

Οι τροχιές διαθέτουν τους κβαντικούς αριθμούς l= 1, και με τιμές του ml= -1, 0, +1. Δηλαδή, ένα ηλεκτρόνιο σε αυτά τα τροχιακά μπορεί να πάρει τρεις κατευθύνσεις, οι οποίες αντιπροσωπεύονται ως κίτρινοι αλτήρες (σύμφωνα με την παραπάνω εικόνα).

Σημειώστε ότι κάθε αλτήρα τοποθετείται κατά μήκος ενός καρτεσιανού άξονα x, και και z. Επομένως, αυτό το τροχιακό p που βρίσκεται στον άξονα x, υποδηλώνεται ως p_x? η μία στον άξονα y, σ_και? και αν δείχνει κάθετα προς το επίπεδο xy, δηλαδή, στον άξονα z, τότε είναι p_z.

Όλα τα τροχιακά είναι κάθετες η μία στην άλλη, δηλαδή σχηματίζουν μια γωνία 90 °. Επίσης, η γωνιακή συνάρτηση εξαφανίζεται στον πυρήνα (η προέλευση του Καρτεσιανού άξονα), και υπάρχει μόνο η πιθανότητα ευρέσεως ενός ηλεκτρονίου εντός των λοβών (του οποίου η πυκνότητα ηλεκτρονίων εξαρτάται από την ακτινική συνάρτηση).

Κακή επίδραση θωράκισης

Τα ηλεκτρόνια αυτών των τροχιακών δεν μπορούν να διεισδύσουν στα εσωτερικά στρώματα με την ίδια ευκολία όπως αυτά των τροχιακών. Συγκρίνοντας τις μορφές τους, οι τροχαλίες φαίνεται να είναι πιο κοντά στον πυρήνα. Ωστόσο, τα ηλεκτρονικά ns βρίσκονται συχνότερα γύρω από τον πυρήνα.

Ποια είναι η συνέπεια των παραπάνω; Ότι ένα ηλεκτρόνιο NP βιώνει ένα χαμηλότερο αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο. Και επιπλέον, το τελευταίο μειώνεται περαιτέρω από το αποτέλεσμα διαλογής των τροχιακών. Αυτό εξηγεί, για παράδειγμα, γιατί ένα άτομο με υβριδικό τροχιακό sp³ είναι λιγότερο ηλεκτροαρνητική από εκείνη με τις στρογγυλές τροχιές² ή sp.

Είναι επίσης σημαντικό να σημειώσουμε ότι κάθε αλτήρα έχει ένα γωνιακό κόμβο, αλλά δεν υπάρχει ακτινικός κόμβος (τίποτα άλλο 2b τροχιά). Δηλαδή, αν ήταν τεμαχισμένο, μέσα του δεν θα υπήρχαν στρώματα όπως με την τροχιά του 2s. αλλά από το 3π τροχιακό προς τα εμπρός, οι ακτινικοί κόμβοι θα αρχίσουν να παρατηρούνται.

Αυτοί οι γωνιακοί κόμβοι είναι υπεύθυνοι για το γεγονός ότι τα εξόχως απόκεντρα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν κακή θωράκιση. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια 2s προστατεύουν αυτά των 2p τροχιακών σε μεγαλύτερο βαθμό από τα 2p ηλεκτρόνια σε αυτά των τροχιακών 3s.

Px, Py και Pz

Δεδομένου ότι οι τιμές του ml είναι -1, 0 και +1, το καθένα αντιπροσωπεύει ένα τροχιακό Px, Py ή Pz. Συνολικά, μπορούν να φιλοξενήσουν έξι ηλεκτρόνια (δύο για κάθε τροχιά). Αυτό το γεγονός είναι κρίσιμο για την κατανόηση της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης, του περιοδικού πίνακα και των στοιχείων που συγκροτούν το λεγόμενο μπλοκ p.

Τα τροχιακά

Οι τροχιές d έχουν τιμές l= 2, και ml= -2, -1, 0, +1, +2. Συνεπώς, υπάρχουν πέντε τροχιές ικανές να κρατούν συνολικά δέκα ηλεκτρόνια. Οι πέντε γωνιακές λειτουργίες των d τροχιακών παρουσιάζονται στην παραπάνω εικόνα.

Τα πρώτα, τα 3 τροχιακά, στερούνται ακτινικών κόμβων, αλλά όλα τα άλλα, εκτός από το τροχιακό d_z2, έχουν δύο κομβικά επίπεδα. όχι τα επίπεδα της εικόνας, επειδή αυτά δείχνουν μόνο σε ποιους άξονες οι πορτοκαλί λοβούς τοποθετούνται με μορφές φύλλων τριφυλλιού. Τα δύο κομβικά επίπεδα είναι εκείνα που χωρίζονται κάθετα στο γκρίζο επίπεδο.

Οι μορφές τους καθιστούν ακόμη λιγότερο αποτελεσματική την θωράκιση του αποτελεσματικού πυρηνικού φορτίου. Γιατί; Επειδή έχουν περισσότερους κόμβους, με τους οποίους ο πυρήνας μπορεί να προσελκύσει εξωτερικά ηλεκτρόνια.

Επομένως, όλα τα d τροχιακά συμβάλλουν στην αύξηση της ατομικής ακτίνας που είναι λιγότερο έντονη από το ένα επίπεδο της ενέργειας στο άλλο.

Τα τροχιακά

Τέλος, οι τροχαλίες έχουν έναν κβαντικό αριθμό με τιμές του l= 3, και ml= -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Υπάρχουν επτά orbitals, για ένα σύνολο δεκατεσσάρων ηλεκτρονίων. Αυτά τα τροχιακά αρχίζουν να είναι διαθέσιμα από την περίοδο 6, συμβολισμένα επιφανειακά ως 4f.

Κάθε μία από τις γωνιακές λειτουργίες αντιπροσωπεύει λοβούς με περίπλοκα σχήματα και αρκετά κόμβο. Επομένως, προστατεύουν ακόμα λιγότερο τα εξωτερικά ηλεκτρόνια και αυτό το φαινόμενο εξηγεί αυτό που είναι γνωστό ως σύσπασης λανθανιδών.

Για το λόγο αυτό για τα βαρέα άτομα δεν υπάρχει έντονη διακύμανση των ατομικών ακτίνων τους ενός επιπέδου n σε ένα άλλο n + 1 (6n έως 7n, για παράδειγμα). Μέχρι σήμερα, τα 5f orbitals είναι τα τελευταία που βρίσκονται σε φυσικά ή τεχνητά άτομα.

Με αυτό το πνεύμα, ανοίγεται μια άβυσσο ανάμεσα σε αυτό που είναι γνωστό ως τροχιά και τα τροχιακά. Παρόλο που τα λεκτικά είναι παρόμοια, στην πραγματικότητα είναι πολύ διαφορετικά.

Η έννοια της ατομικής τροχιακής και της τροχιακής προσέγγισης επέτρεψε εξηγήσεις στον χημικό δεσμό και πώς αυτό μπορεί, κατά τον ένα ή τον άλλο τρόπο, να επηρεάσει τη μοριακή δομή.

Αναφορές

1. Shiver & Atkins. (2008). Ανόργανη χημεία (Τέταρτη έκδοση, σελ. 13-8). Mc Graw Hill.
2. Χάρι Β. Γκράι. (1965). Ηλεκτρονίων και χημικών δεσμών. W.A. Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube (s.f.). Ατομικά τροχιακά και κβαντικά νούμερα. Ανακτήθηκε από: quimitube.com
4. Σκάφος C. R. (2016). Οπτικοποίηση των τροχιακών ηλεκτρονίων. Ανακτήθηκε από: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Ατομικά Τροχαία. Ανακτήθηκε από: chemguide.co.uk
6. Κβαντικές ιστορίες (26 Αυγούστου 2011). Ατομικά τροχιακά, ένα ψέμα στο λύκειο. Ανάκτηση από: cuentos-cuanticos.com