ქიმიასა და ფიზიკაში ატომური ორბიტალები არის ფუნქცია, რომელსაც ეწოდება ტალღური ფუნქცია, რომელიც აღწერს არაუმეტეს ორი ელექტრონის დამახასიათებელ თვისებებს ატომის ბირთვის ან ბირთვების სისტემის სიახლოვეს, როგორც მოლეკულაში. ორბიტალი ხშირად გამოსახულია, როგორც სამგანზომილებიანი რეგიონი, რომლის შიგნით არის ელექტრონის პოვნის 95 პროცენტი შანსი.
ორბიტალები და ორბიტები
როდესაც პლანეტა მზის ირგვლივ მოძრაობს, ის გზას უვლის, რომელსაც ორბიტა ეწოდება. ანალოგიურად, ატომი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ელექტრონები, რომლებიც ბრუნავს ბირთვის გარშემო ორბიტებში. სინამდვილეში, ყველაფერი განსხვავებულია და ელექტრონები იმყოფებიან სივრცის რეგიონებში, რომლებიც ცნობილია როგორც ატომური ორბიტალები. ქიმია კმაყოფილია ატომის გამარტივებული მოდელით, რათა გამოთვალოს შრედინგერის ტალღური განტოლება და, შესაბამისად, განსაზღვროს ელექტრონის შესაძლო მდგომარეობა.
ორბიტები და ორბიტალები ჟღერს მსგავსი, მაგრამ მათ აქვთ სრულიად განსხვავებული მნიშვნელობა. ძალზე მნიშვნელოვანია მათ შორის განსხვავების გაგება.
შეუძლებელია ორბიტების ჩვენება
რამეს ტრაექტორიის გამოსათვლელად, თქვენ ზუსტად უნდა იცოდეთ სად არის ობიექტიმდებარეობს და შეძლებს დაადგინოს, სად იქნება ის მომენტში. ეს შეუძლებელია ელექტრონისთვის.
ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპის მიხედვით, შეუძლებელია ზუსტად იცოდე სად არის ნაწილაკი ამ მომენტში და სად იქნება მოგვიანებით. (ფაქტობრივად, პრინციპი ამბობს, რომ შეუძლებელია მისი იმპულსის და იმპულსის ერთდროულად და აბსოლუტური სიზუსტით დადგენა).
ამიტომ, შეუძლებელია ელექტრონის ორბიტის აგება ბირთვის გარშემო. ეს დიდი პრობლემაა? არა. თუ რამე შეუძლებელია, ის უნდა იქნას მიღებული და გზების პოვნა.
წყალბადის ელექტრონი – 1s-ორბიტალი
დავუშვათ, რომ არსებობს წყალბადის ერთი ატომი და დროის გარკვეულ მომენტში ერთი ელექტრონის პოზიცია გრაფიკულად არის აღბეჭდილი. ცოტა ხნის შემდეგ, პროცედურა მეორდება და დამკვირვებელი აღმოაჩენს, რომ ნაწილაკი ახალ მდგომარეობაშია. როგორ მოხვდა ის პირველი ადგილიდან მეორემდე, უცნობია.
თუ ასე გააგრძელებთ, თანდათანობით შექმნით ერთგვარ 3D რუკას, სადაც სავარაუდოა ნაწილაკი.
წყალბადის ატომის შემთხვევაში, ელექტრონი შეიძლება იყოს სადმე ბირთვის მიმდებარე სფერულ სივრცეში. დიაგრამაზე ნაჩვენებია ამ სფერული სივრცის ჯვარი მონაკვეთი.
დროის 95% (ან ნებისმიერი სხვა პროცენტი, რადგან მხოლოდ სამყაროს ზომას შეუძლია ასი პროცენტიანი დარწმუნების უზრუნველყოფა) ელექტრონი იქნება სივრცის საკმაოდ ადვილად განსაზღვრულ რეგიონში, საკმარისად ახლოს ბირთვთან. ასეთ რეგიონს ორბიტალს უწოდებენ. ატომური ორბიტალებიასივრცის რეგიონები, სადაც ელექტრონი არსებობს.
რას აკეთებს იქ? ჩვენ არ ვიცით, ჩვენ არ შეგვიძლია ვიცოდეთ და ამიტომ უბრალოდ უგულებელყოფთ ამ პრობლემას! შეგვიძლია მხოლოდ ვთქვათ, რომ თუ ელექტრონი იმყოფება კონკრეტულ ორბიტალში, მაშინ მას ექნება გარკვეული ენერგია.
თითოეულ ორბიტალს აქვს სახელი.
სივრცეს, რომელსაც იკავებს წყალბადის ელექტრონი, ეწოდება 1s-ორბიტალი. ერთეული აქ ნიშნავს, რომ ნაწილაკი არის ბირთვთან ყველაზე ახლოს ენერგეტიკულ დონეზე. S მოგვითხრობს ორბიტის ფორმაზე. S-ორბიტალები ბირთვის მიმართ სფერულად სიმეტრიულია - სულ მცირე, როგორც საკმაოდ მკვრივი მასალის ღრუ ბურთულა, რომლის ცენტრშია ბირთვი.
2წ
შემდეგი ორბიტალი არის 2 წამი. ის 1-ის მსგავსია, გარდა იმისა, რომ ელექტრონის ყველაზე სავარაუდო მდებარეობა ბირთვიდან უფრო შორს არის. ეს არის მეორე ენერგეტიკული დონის ორბიტალი.
თუ დააკვირდებით, შეამჩნევთ, რომ ბირთვთან უფრო ახლოს არის კიდევ ერთი რეგიონი, რომელსაც აქვს ოდნავ მაღალი ელექტრონის სიმკვრივე („სიმკვრივე“არის კიდევ ერთი გზა იმის მითითებით, რომ ეს ნაწილაკი იმყოფება გარკვეულ ადგილას).
2s ელექტრონები (და 3s, 4s და ა.შ.) დროის გარკვეულ ნაწილს ატომის ცენტრთან ბევრად უფრო ახლოს ატარებენ, ვიდრე შეიძლება ველოდოთ. ამის შედეგია მათი ენერგიის უმნიშვნელო კლება s-ორბიტალებში. რაც უფრო უახლოვდება ელექტრონები ბირთვს, მით უფრო მცირდება მათი ენერგია.
3s-, 4s-ორბიტალები (და ასე შემდეგ) შორდებიან ატომის ცენტრიდან.
P-ორბიტალები
ყველა ელექტრონი არ ცხოვრობს s ორბიტალებში (სინამდვილეში, ძალიან ცოტა მათგანი ცხოვრობს). პირველ ენერგეტიკულ დონეზე მათთვის ერთადერთი ხელმისაწვდომი მდებარეობაა 1s, მეორეზე დამატებულია 2s და 2p.
ამ ტიპის ორბიტალები უფრო ჰგავს 2 იდენტურ ბუშტს, რომლებიც ერთმანეთთან დაკავშირებულია ბირთვში. დიაგრამაზე ნაჩვენებია სივრცის 3-განზომილებიანი რეგიონის ჯვარი მონაკვეთი. ისევ და ისევ, ორბიტალი გვიჩვენებს მხოლოდ იმ ფართობს, რომელსაც აქვს ერთი ელექტრონის პოვნის 95 პროცენტი შანსი.
თუ წარმოვიდგენთ ჰორიზონტალურ სიბრტყეს, რომელიც გადის ბირთვში ისე, რომ ორბიტის ერთი ნაწილი იქნება სიბრტყის ზემოთ, მეორე კი მის ქვემოთ, მაშინ ამ სიბრტყეზე ელექტრონის პოვნის ალბათობა ნულოვანია.. მაშ, როგორ გადადის ნაწილაკი ერთი ნაწილიდან მეორეში, თუ ის ვერასოდეს გაივლის ბირთვის სიბრტყეში? ეს გამოწვეულია მისი ტალღური ბუნებით.
ს-ისგან განსხვავებით, p-ორბიტალს აქვს გარკვეული მიმართულება.
ნებისმიერ ენერგეტიკულ დონეზე, თქვენ შეგიძლიათ გქონდეთ სამი აბსოლუტურად ექვივალენტური p-ორბიტალი, რომლებიც განლაგებულია ერთმანეთის მიმართ სწორი კუთხით. ისინი თვითნებურად აღინიშნება სიმბოლოებით px, py და pz. ეს მიღებულია მოხერხებულობისთვის - რაც იგულისხმება X, Y ან Z მიმართულებებში მუდმივად იცვლება, რადგან ატომი შემთხვევით მოძრაობს სივრცეში.
P-ორბიტალებს მეორე ენერგეტიკულ დონეზე ეწოდება 2px, 2py და 2pz. მსგავსი ორბიტალები არსებობს შემდეგ ორბიტალებზე - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz და ასე შემდეგ.
ყველა დონეს, გარდა პირველისა, აქვს p-ორბიტალები. უფრო მაღალ დონეზე, "ფურცლები" უფრო წაგრძელებულია, ელექტრონის ყველაზე სავარაუდო მდებარეობა ბირთვიდან უფრო დიდ მანძილზეა.
d- და f-ორბიტალები
s და p ორბიტალების გარდა, არსებობს ორბიტალების კიდევ ორი კომპლექტი, რომლებიც ხელმისაწვდომია ელექტრონების უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე. მესამეზე შეიძლება იყოს ხუთი d-ორბიტალი (კომპლექსური ფორმებითა და სახელებით), ასევე 3s- და 3p-ორბიტალი (3px, 3py, 3pz). აქ სულ 9 არის.
მეოთხეზე, 4s-თან და 4p-თან და 4d-თან ერთად, ჩნდება 7 დამატებითი f-ორბიტალი - სულ 16, ასევე ხელმისაწვდომია ყველა მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე.
ელექტრონების განლაგება ორბიტალებში
ატომი შეიძლება წარმოვიდგინოთ, როგორც ძალიან ლამაზი სახლი (ინვერსიული პირამიდის მსგავსი) ბირთვით, რომელიც ცხოვრობს პირველ სართულზე და სხვადასხვა ოთახები ზედა სართულებზე, რომლებიც დაკავებულია ელექტრონებით:
- პირველ სართულზე არის მხოლოდ 1 ოთახი (1);
- მეორე ოთახში უკვე არის 4 (2s, 2px, 2py და 2pz);
- მესამე სართულზე არის 9 ოთახი (ერთი 3s, სამი 3p და ხუთი 3D ორბიტალი) და ასე შემდეგ.
მაგრამ ოთახები არც თუ ისე დიდია. თითოეული მათგანი მხოლოდ 2 ელექტრონს იტევს.
ამ ნაწილაკების ატომური ორბიტების საჩვენებლად მოსახერხებელი გზა არის "კვანტური უჯრედების" დახატვა.
კვანტური უჯრედები
ბირთვულიორბიტალები შეიძლება წარმოდგენილი იყოს კვადრატებად, მათში არსებული ელექტრონები ისრის სახითაა ნაჩვენები. ხშირად, ზემოთ და ქვემოთ ისრები გამოიყენება იმის საჩვენებლად, რომ ეს ნაწილაკები განსხვავებულია.
ატომში სხვადასხვა ელექტრონების საჭიროება კვანტური თეორიის შედეგია. თუ ისინი სხვადასხვა ორბიტალში არიან, ეს კარგია, მაგრამ თუ ისინი ერთსა და იმავე ორბიტაზე არიან, მაშინ მათ შორის უნდა იყოს გარკვეული დახვეწილი განსხვავება. კვანტური თეორია ნაწილაკებს ანიჭებს თვისებას, რომელსაც ეწოდება "სპინი", რასაც მიუთითებს ისრების მიმართულება.
1s ორბიტალი ორი ელექტრონით ნაჩვენებია კვადრატის სახით ორი ისრით მიმართული ზემოთ და ქვემოთ, მაგრამ ის ასევე შეიძლება ჩაიწეროს უფრო სწრაფად, როგორც 1s2. იკითხება "ერთი ს ორი" და არა "ერთი ს კვადრატი". ამ აღნიშვნების რიცხვები არ უნდა იყოს აღრეული. პირველი არის ენერგიის დონე, ხოლო მეორე არის ნაწილაკების რაოდენობა ორბიტალზე.
ჰიბრიდიზაცია
ქიმიაში, ჰიბრიდიზაცია არის ატომური ორბიტალების შერევის კონცეფცია ახალ ჰიბრიდულ ორბიტალებში, რომლებსაც შეუძლიათ ელექტრონების დაწყვილება ქიმიური ბმების შესაქმნელად. Sp ჰიბრიდიზაცია ხსნის ნაერთების ქიმიურ კავშირებს, როგორიცაა ალკინები. ამ მოდელში, 2s და 2p ნახშირბადის ატომური ორბიტალები შერეულია ორი sp ორბიტალის შესაქმნელად. აცეტილენი C2H2 შედგება ნახშირბადის ორი ატომის sp-sp ჩახლართულებისაგან σ-ბმისა და ორი დამატებითი π-ბმის წარმოქმნით.
ნახშირბადის ატომური ორბიტალები გაჯერებულ ნახშირწყალბადებში აქვთიდენტური ჰიბრიდული sp3-ჰანტელის ფორმის ორბიტალები, რომელთა ერთი ნაწილი მეორეზე ბევრად დიდია.
Sp2-ჰიბრიდიზაცია წინა მსგავსია და წარმოიქმნება ერთი s და ორი p-ორბიტალის შერევით. მაგალითად, ეთილენის მოლეკულაში წარმოიქმნება სამი sp2- და ერთი p-ორბიტალი.
ატომური ორბიტალები: შევსების პრინციპი
ქიმიური ელემენტების პერიოდულ სისტემაში ერთი ატომიდან მეორეზე გადასვლის წარმოდგენით, შეგიძლიათ დაადგინოთ შემდეგი ატომის ელექტრონული სტრუქტურა მომდევნო ხელმისაწვდომ ორბიტაზე დამატებითი ნაწილაკების განთავსებით.
ელექტრონები, სანამ შეავსებენ უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეებს, იკავებენ ქვედა ნაწილებს, რომლებიც მდებარეობს ბირთვთან უფრო ახლოს. სადაც არჩევანია, ისინი ინდივიდუალურად ავსებენ ორბიტალებს.
ეს შევსების ბრძანება ცნობილია, როგორც ჰუნდის წესი. იგი გამოიყენება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ატომურ ორბიტალებს აქვთ თანაბარი ენერგია და ასევე ხელს უწყობს ელექტრონებს შორის მოგერიების შემცირებას, რაც ატომს უფრო სტაბილურს ხდის.
გაითვალისწინეთ, რომ s-ორბიტალს ყოველთვის აქვს ოდნავ ნაკლები ენერგია, ვიდრე p ორბიტალს იმავე ენერგეტიკულ დონეზე, ამიტომ პირველი ყოველთვის ივსება მეორეზე ადრე.
რაც მართლაც უცნაურია არის 3D ორბიტალების პოზიცია. ისინი უფრო მაღალ დონეზე არიან ვიდრე 4s, და ამიტომ 4s ორბიტალი ივსება ჯერ, რასაც მოჰყვება ყველა 3d და 4p ორბიტალი.
იგივე დაბნეულობა ხდება უფრო მაღალ დონეზე, მათ შორის მეტი ნაქსოვი. ამიტომ, მაგალითად, 4f ატომური ორბიტალი არ ივსება მანამ, სანამ მასზე ყველა ადგილი არ არის6წ.
შევსების რიგის ცოდნა ცენტრალურია ელექტრონული სტრუქტურების აღწერისთვის.
