Kemiassa ja fysiikassa atomikiertoradat ovat a altofunktioksi kutsuttu funktio, joka kuvaa ominaisuuksia, jotka ovat ominaisia enintään kahdelle atomin ytimen tai ydinjärjestelmän läheisyydessä olevalle elektronille, kuten molekyylissä. Orbitaali kuvataan usein kolmiulotteisena alueena, jonka sisällä on 95 prosentin mahdollisuus löytää elektroni.
Orbitaalit ja kiertoradat
Kun planeetta liikkuu Auringon ympäri, se seuraa polkua, jota kutsutaan kiertoradalla. Vastaavasti atomi voidaan esittää elektroneina, jotka kiertävät ytimen ympärillä olevilla kiertoradoilla. Itse asiassa asiat ovat erilaisia, ja elektronit ovat avaruuden alueilla, jotka tunnetaan atomikiertoradoina. Kemia tyytyy yksinkertaistettuun atomin malliin Schrödingerin a altoyhtälön laskemiseksi ja sen mukaisesti elektronin mahdollisten tilojen määrittämiseksi.
Ratat ja kiertoradat kuulostavat samanlaisilta, mutta niillä on täysin erilaiset merkitykset. On erittäin tärkeää ymmärtää niiden välinen ero.
Mahdotonta näyttää kiertoradat
Jos haluat piirtää jonkin liikeradan, sinun on tiedettävä tarkalleen, missä kohde onsijaitsee, ja pystyä määrittämään, missä se on hetkessä. Tämä on mahdotonta elektronille.
Heisenbergin epävarmuusperiaatteen mukaan on mahdotonta tietää tarkalleen missä hiukkanen on tällä hetkellä ja missä se on myöhemmin. (Itse asiassa periaate sanoo, että sen liikemäärää ja liikemäärää on mahdotonta määrittää samanaikaisesti ja absoluuttisella tarkkuudella).
Siksi on mahdotonta rakentaa elektronin kiertorataa ytimen ympärille. Onko tämä suuri ongelma? Ei. Jos jokin ei ole mahdollista, se tulee hyväksyä ja löytää keinoja sen kiertämiseksi.
Vetyelektroni – 1s-orbitaali
Oletetaan, että on yksi vetyatomi ja tietyllä hetkellä yhden elektronin paikka on painettu graafisesti. Pian tämän jälkeen toimenpide toistetaan ja tarkkailija huomaa, että hiukkanen on uudessa paikassa. Kuinka hän pääsi ykköseltä toiselle, ei tiedetä.
Jos jatkat tällä tavalla, muodostat vähitellen eräänlaisen 3D-kartan siitä, missä hiukkanen todennäköisesti sijaitsee.
Vetyatomin tapauksessa elektroni voi olla missä tahansa ydintä ympäröivässä pallomaisessa tilassa. Kaavio näyttää poikkileikkauksen tästä pallomaisesta avaruudesta.
95 % ajasta (tai mikä tahansa muu prosenttiosuus, koska vain universumin koko voi tarjota sataprosenttisen varmuuden) elektroni on melko helposti määriteltävällä avaruuden alueella, riittävän lähellä ydintä. Tällaista aluetta kutsutaan orbitaaliksi. Atomiradat ovatavaruuden alueet, joilla elektroni on olemassa.
Mitä hän tekee siellä? Emme tiedä, emme voi tietää, ja siksi jätämme tämän ongelman huomiotta! Voimme vain sanoa, että jos elektroni on tietyllä kiertoradalla, sillä on tietty energia.
Jokaisella kiertoradalla on nimi.
Vetyelektronin käyttämää tilaa kutsutaan 1s-orbitaaliksi. Yksikkö tarkoittaa tässä sitä, että hiukkanen on ydintä lähimpänä olevalla energiatasolla. S kertoo kiertoradan muodosta. S-orbitaalit ovat pallosymmetrisiä ytimen suhteen - ainakin kuin melko tiheästä materiaalista valmistettu ontto pallo, jonka keskellä on ydin.
2s
Seuraava orbitaali on 2s. Se on samanlainen kuin 1s, paitsi että elektronin todennäköisin sijainti on kauempana ytimestä. Tämä on toisen energiatason kiertorata.
Jos katsot tarkasti, huomaat, että lähempänä ydintä on toinen alue, jolla on hieman korkeampi elektronitiheys ("tiheys" on toinen tapa ilmaista todennäköisyys, että tämä hiukkanen on läsnä tietyssä paikassa).
2s-elektroni (ja 3s, 4s jne.) viettävät osan ajastaan paljon lähempänä atomin keskustaa kuin voisi odottaa. Seurauksena on niiden energian lievä lasku s-orbitaaleissa. Mitä lähemmäs elektronit pääsevät ydintä, sitä pienemmäksi niiden energia tulee.
3s-, 4s-orbitaalit (ja niin edelleen) tulevat kauemmaksi atomin keskustasta.
P-orbitaalit
Kaikki elektronit eivät elä s-kiertoradalla (itse asiassa hyvin harvat heistä elävät). Ensimmäisellä energiatasolla niiden ainoa käytettävissä oleva sijainti on 1s, toiselle lisätään 2s ja 2p.
Tämän tyyppiset kiertoradat ovat enemmän kuin 2 identtistä ilmapalloa, jotka on kytketty toisiinsa ytimestä. Kaavio näyttää poikkileikkauksen 3-ulotteisesta avaruuden alueesta. Jälleen orbitaali näyttää vain alueen, jolla on 95 prosentin mahdollisuus löytää yksi elektroni.
Jos kuvittelemme vaakatason, joka kulkee ytimen läpi siten, että yksi kiertoradan osa on tason yläpuolella ja toinen sen alapuolella, on nolla todennäköisyys löytää elektroni tältä tasolta. Joten kuinka hiukkanen pääsee osasta toiseen, jos se ei koskaan pääse kulkemaan ytimen tason läpi? Tämä johtuu sen a altoluonteesta.
Toisin kuin s-, p-orbitaalilla on tietty suuntaus.
Millä tahansa energiatasolla sinulla voi olla kolme täysin vastaavaa p-orbitaalia, jotka sijaitsevat suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Ne on merkitty mieliv altaisesti symboleilla px, py ja pz. Tämä hyväksytään mukavuussyistä - se, mitä X-, Y- tai Z-suunnalla tarkoitetaan, muuttuu jatkuvasti, kun atomi liikkuu satunnaisesti avaruudessa.
P-orbitaaleja toisella energiatasolla kutsutaan nimellä 2px, 2py ja 2pz. Seuraavilla kiertoradoilla on samanlaisia - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz ja niin edelleen.
Kaikilla tasoilla ensimmäistä lukuun ottamatta on p-orbitaalit. Korkeammilla tasoilla "terälehdet" ovat pitkänomaisempia, ja elektronin todennäköisin sijainti on suuremmalla etäisyydellä ytimestä.
d- ja f-orbitaalit
S- ja p-orbitaalien lisäksi korkeammilla energiatasoilla oleville elektroneille on käytettävissä kaksi muuta orbitaalijoukkoa. Kolmannella voi olla viisi d-orbitaalia (monimutkaisilla muodoilla ja nimillä) sekä 3s- ja 3p-orbitaalia (3px, 3py, 3pz). Täällä on yhteensä 9.
Neljännellä 4s:n, 4p:n ja 4d:n ohella 7 muuta f-orbitaalia ilmestyy – yhteensä 16, saatavilla myös kaikilla korkeammilla energiatasoilla.
Elektronien sijoittaminen kiertoradalle
Atomia voidaan pitää erittäin hienona talona (kuten käänteinen pyramidi), jonka pohjakerroksessa asuu ydin ja ylemmissä kerroksissa on useita elektronien miehittämiä huoneita:
- ensimmäisessä kerroksessa on vain 1 huone (1 s);
- toisessa huoneessa on jo 4 (2s, 2px, 2py ja 2pz);
- kolmannessa kerroksessa on 9 huonetta (yksi 3s, kolme 3p ja viisi 3d-orbitaalia) ja niin edelleen.
Mutta huoneet eivät ole kovin suuria. Jokainen niistä voi sisältää vain 2 elektronia.
Kätevä tapa näyttää atomiradat, joilla nämä hiukkaset ovat, on piirtää "kvanttisoluja".
Kvanttisolut
YdinvoimaOrbitaalit voidaan esittää neliöinä ja niissä olevat elektronit esitetään nuolilla. Usein ylä- ja alanuolia käytetään osoittamaan, että nämä hiukkaset ovat erilaisia.
Erilaisten elektronien tarve atomissa on seurausta kvanttiteoriasta. Jos ne ovat eri kiertoradoilla, se on hyvä, mutta jos ne ovat samalla kiertoradalla, niiden välillä täytyy olla pieni ero. Kvanttiteoria antaa hiukkasille ominaisuuden nimeltä "spin", johon nuolien suunta viittaa.
1s orbitaali, jossa on kaksi elektronia, esitetään neliönä, jossa on kaksi ylös ja alas osoittavaa nuolta, mutta se voidaan myös kirjoittaa vielä nopeammin muodossa 1s2. Siinä lukee "yksi s kaksi", ei "yksi s neliö". Näissä merkinnöissä olevia numeroita ei pidä sekoittaa. Ensimmäinen on energiataso ja toinen on hiukkasten lukumäärä kiertoradalla.
Hybridisaatio
Kemiassa hybridisaatiolla tarkoitetaan atomiorbitaalien sekoittamista uusiksi hybridiorbitaaleiksi, jotka pystyvät yhdistämään elektroneja kemiallisten sidosten muodostamiseksi. Sp-hybridisaatio selittää yhdisteiden, kuten alkyynien, kemialliset sidokset. Tässä mallissa 2s- ja 2p-hiiliatomiorbitaalit sekoittuvat muodostaen kaksi sp-orbitaalia. Asetyleeni C2H2 koostuu kahden hiiliatomin sp-sp-kietoutumisesta, jossa muodostuu σ-sidos ja kaksi muuta π-sidosta.
Kyllätyneiden hiilivetyjen hiilen atomikiertoradalla onidenttiset hybridi sp3-orbitaalit, jotka on muotoiltu käsipainoksi, joista toinen osa on paljon suurempi kuin toinen.
Sp2-hybridisaatio on samanlainen kuin edelliset ja muodostuu sekoittamalla yksi s ja kaksi p-orbitaalia. Esimerkiksi eteenimolekyylissä muodostuu kolme sp2- ja yksi p-orbitaali.
Atomiradat: täyttöperiaate
Kuvitellen siirtymiä atomista toiseen kemiallisten alkuaineiden jaksollisessa taulukossa, voidaan määrittää seuraavan atomin elektronirakenne asettamalla lisäpartikkeli seuraavalle käytettävissä olevalle kiertoradalle.
Elektronit, ennen kuin ne täyttävät korkeammat energiatasot, miehittävät alemmat, jotka sijaitsevat lähempänä ydintä. Siellä missä on valinnanvaraa, ne täyttävät orbitaalit yksitellen.
Tämä täyttöjärjestys tunnetaan Hundin sääntönä. Se pätee vain, kun atomien kiertoradalla on yhtä suuri energia, ja se auttaa myös minimoimaan elektronien välisen repulsion tehden atomista vakaamman.
Huomaa, että s-orbitaalilla on aina hieman vähemmän energiaa kuin p-kiertoradalla samalla energiatasolla, joten edellinen täyttyy aina ennen jälkimmäistä.
Todella outoa on 3D-ratojen sijainti. Ne ovat korkeammalla tasolla kuin 4s, joten 4s-orbitaalit täyttyvät ensin ja sen jälkeen kaikki 3d- ja 4p-radat.
Samaa hämmennystä esiintyy korkeammilla tasoilla, kun välillä on enemmän kudoksia. Siksi esimerkiksi 4f-atomiradat täytetään vasta, kun kaikki paikat ovat6s.
Täyttöjärjestyksen tunteminen on keskeistä elektronisten rakenteiden kuvaamisen ymmärtämisessä.
