ORBITAL ATOM: APA YANG TERDIRI DAN JENISNYA - KIMIA - 2025

The orbital atom adalah kawasan-kawasan atom ditakrifkan oleh fungsi gelombang elektron. Fungsi gelombang adalah ungkapan matematik yang diperoleh daripada menyelesaikan persamaan Schrödinger. Ini menggambarkan keadaan tenaga satu atau lebih elektron di ruang angkasa, serta kebarangkalian menjumpainya.

Konsep fizikal ini, yang diterapkan oleh ahli kimia untuk memahami ikatan dan jadual berkala, menganggap elektron sebagai gelombang dan zarah pada masa yang sama. Oleh itu, gambaran sistem suria, di mana elektron adalah planet yang berputar di orbit di sekitar nukleus atau matahari, dikesampingkan.

Sumber: Oleh haade, melalui Wikimedia Commons

Visualisasi ketinggalan zaman ini sangat berguna ketika menggambarkan tahap tenaga atom. Contohnya: bulatan yang dikelilingi oleh cincin sepusat yang mewakili orbit, dan elektron statiknya. Sebenarnya, inilah gambaran yang dengannya atom diperkenalkan kepada kanak-kanak dan orang muda.

Walau bagaimanapun, struktur atom yang sebenarnya terlalu rumit untuk mempunyai gambaran kasarnya.

Memandangkan kemudian elektron sebagai zarah gelombang, dan menyelesaikan persamaan pembezaan Schrödinger untuk atom hidrogen (sistem paling mudah dari semua), nombor kuantum terkenal telah diperoleh.

Angka-angka ini menunjukkan bahawa elektron tidak dapat menempati tempat di mana-mana atom, tetapi hanya elektron yang mematuhi tahap tenaga yang diskrit dan kuantitatif. Ungkapan matematik di atas dikenali sebagai fungsi gelombang.

Oleh itu, dari atom hidrogen, satu siri keadaan tenaga yang diatur oleh bilangan kuantum dianggarkan. Keadaan tenaga ini disebut orbit atom.

Tetapi, ini hanya menggambarkan keberadaan elektron dalam atom hidrogen. Untuk atom lain, polielektronika, dari helium dan seterusnya, pendekatan orbit dibuat. Kenapa? Kerana menyelesaikan persamaan Schrödinger untuk atom dengan dua atau lebih elektron sangat rumit (walaupun dengan teknologi semasa).

Apakah orbit atom?

Orbital atom adalah fungsi gelombang yang terdiri daripada dua komponen: satu radial, dan satu sudut. Ungkapan matematik ini ditulis sebagai:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _LML (θφ)

Walaupun pada awalnya kelihatan rumit, perhatikan bahawa nombor kuantum n, l, dan ml ditunjukkan dengan huruf kecil. Ini bermaksud ketiga-tiga nombor ini menggambarkan orbit. R _nl (r), lebih dikenali sebagai fungsi radial, bergantung pada nyl; manakala Y _LML (θφ), fungsi sudut, bergantung kepada l dan ml.

Dalam persamaan matematik terdapat juga pemboleh ubah r, jarak ke nukleus, dan θ dan ϕ. Hasil dari semua set persamaan ini adalah gambaran fizikal orbit. Yang mana satu? Yang dilihat dalam gambar di atas. Terdapat satu siri orbit yang akan dijelaskan dalam bahagian berikut.

Bentuk dan reka bentuk mereka (bukan warna) berasal dari grafik fungsi gelombang dan komponen radial dan sudut mereka di angkasa.

Fungsi gelombang jejari

Seperti yang dilihat dalam persamaan, R _nl (r) bergantung pada n dan l. Oleh itu, fungsi gelombang radial digambarkan oleh tahap tenaga utama dan tahap bawahnya.

Sekiranya elektron dapat difoto tanpa mengira arahnya, titik kecil dapat dilihat. Kemudian, dengan mengambil berjuta-juta foto, dapat diperincikan bagaimana awan titik berubah sebagai fungsi jarak ke inti.

Dengan cara ini, ketumpatan awan di jarak dan dekat inti dapat dibandingkan. Sekiranya operasi yang sama diulang tetapi dengan tahap atau tahap tenaga yang lain, awan lain akan terbentuk yang merangkumi yang sebelumnya. Di antara keduanya terdapat ruang kecil di mana elektron tidak pernah berada; inilah yang dikenali sebagai nod radial.

Juga, di awan terdapat kawasan dengan ketumpatan elektron yang lebih tinggi dan lebih rendah. Oleh kerana mereka semakin besar dan lebih jauh dari nukleus, mereka mempunyai lebih banyak nod radial; dan lebih jauh lagi, jarak r di mana elektron berpusing lebih kerap dan lebih cenderung dijumpai.

Fungsi gelombang sudut

Sekali lagi, ia dikenali dari persamaan yang Y _LML (θφ) terutamanya digambarkan oleh nombor kuantum l dan ml. Kali ini ia mengambil bahagian dalam nombor kuantum magnetik, oleh itu, arah elektron di angkasa ditentukan; dan arah ini dapat digambarkan dari persamaan matematik yang melibatkan pemboleh ubah θ dan ϕ.

Sekarang, kita tidak terus mengambil gambar, tetapi untuk merakam video lintasan elektron dalam atom. Berbeza dengan eksperimen sebelumnya, tidak diketahui dengan tepat di mana elektron itu, tetapi ke mana arahnya.

Semasa elektron bergerak, ia menggambarkan awan yang lebih jelas; sebenarnya, sosok sfera, atau yang mempunyai cuping, seperti yang dilihat dalam gambar. Jenis angka dan arahnya di ruang dijelaskan oleh l dan ml.

Terdapat kawasan, dekat dengan nukleus, di mana elektron tidak bergerak dan angka itu hilang. Kawasan seperti itu dikenali sebagai simpul sudut.

Sebagai contoh, jika anda melihat orbital sfera pertama, anda dengan cepat membuat kesimpulan bahawa ia adalah simetri ke semua arah; namun, ini tidak berlaku dengan orbital lain, yang bentuknya menunjukkan ruang kosong. Ini dapat dilihat pada asal-usul pesawat Cartesian, dan di bidang khayalan di antara lobus.

Kebarangkalian mencari ikatan elektron dan kimia

Sumber: Oleh Yayasan CK-12 (Fail: High School Chemistry.pdf, halaman 265), melalui Wikimedia Commons

Untuk menentukan kebarangkalian sebenar mencari elektron dalam orbit, kedua fungsi tersebut mesti dipertimbangkan: radial dan sudut. Oleh itu, tidak cukup untuk menganggap komponen sudut, iaitu bentuk orbit yang digambarkan, tetapi juga bagaimana perubahan ketumpatan elektronnya sehubungan dengan jarak dari nukleus.

Namun, kerana petunjuk (ml) membezakan satu orbit dari yang lain, adalah praktikal (walaupun mungkin tidak sepenuhnya betul) untuk hanya mempertimbangkan bentuk orbital. Dengan cara ini, penerangan ikatan kimia dijelaskan oleh pertindihan angka-angka ini.

Sebagai contoh, di atas adalah gambar perbandingan tiga orbital: 1s, 2s, dan 3s. Perhatikan nod radialnya di dalam. Orbit 1s tidak mempunyai nod, sementara dua yang lain mempunyai satu dan dua nod.

Apabila mempertimbangkan ikatan kimia, lebih mudah untuk diingat hanya bentuk sfera orbital ini. Dengan cara ini, orbit ns menghampiri yang lain, dan pada jarak r, elektron akan membentuk ikatan dengan elektron atom yang berdekatan. Dari sini muncul beberapa ahli teori (TEV dan TOM) yang menjelaskan kaitan ini.

Bagaimana mereka dilambangkan?

Orbital atom dilambangkan secara eksplisit sebagai: nl _ml .

Nombor kuantum mengambil nilai integer 0, 1, 2, dan lain-lain, tetapi untuk melambangkan orbital hanya nilai numerik yang tersisa n. Sementara untuk l, nombor bulat digantikan oleh hurufnya yang sesuai (s, p, d, f); dan untuk ml, formula pemboleh ubah atau matematik (kecuali ml = 0).

Contohnya, untuk orbit 1s: n = 1, s = 0, dan ml = 0. Perkara yang sama berlaku untuk semua orbital ns (2s, 3s, 4s, dll.).

Untuk melambangkan orbit yang lain, adalah perlu untuk menangani jenisnya, masing-masing dengan tahap dan ciri tenaga sendiri.

Jenis-Jenis

Orbital s

Nombor kuantum l = 0, dan ml = 0 (sebagai tambahan kepada komponen radial dan sudut) menggambarkan orbit dengan bentuk sfera. Inilah yang mengetuai piramid orbital pada gambar awal. Juga, seperti yang dilihat pada gambar nod radial, dapat dijangkakan bahawa orbit 4s, 5s dan 6s mempunyai tiga, empat dan lima nod.

Mereka dicirikan sebagai simetri dan elektronnya mengalami muatan nuklear yang lebih berkesan. Ini kerana elektronnya dapat menembusi cangkang dalam dan melayang sangat dekat dengan nukleus, yang memberikan daya tarikan positif pada mereka.

Oleh itu, ada kemungkinan elektron 3s dapat menembusi orbit 2s dan 1s, menghampiri nukleus. Fakta ini menjelaskan mengapa atom dengan orbital hibrid sp lebih elektronegatif (dengan kecenderungan lebih besar untuk menarik ketumpatan elektronik dari atom jirannya) daripada satu dengan hibridisasi sp ³ .

Oleh itu, elektron di orbital s adalah yang paling banyak mengalami inti pengisian dan lebih stabil secara bertenaga. Bersama-sama, mereka memberikan kesan pelindung pada elektron di sublevel atau orbital lain; iaitu, mereka mengurangkan muatan nuklear Z yang sebenar yang dialami oleh elektron terluar.

Orbital hlm

Sumber: David Manthey melalui Wikipedia

Orbital p mempunyai nombor kuantum l = 1, dan dengan nilai ml = -1, 0, +1. Maksudnya, elektron di orbital ini boleh mengambil tiga arah, yang diwakili sebagai dumbbell kuning (mengikut gambar di atas).

Perhatikan bahawa setiap dumbbell terletak di sepanjang paksi x, y, dan z Cartesian. Oleh itu, orbit p yang terletak pada paksi x dilambangkan sebagai p _x ; yang berada pada paksi y, p _y ; dan jika menunjuk tegak lurus ke satah xy, iaitu pada paksi z, maka itu adalah p _z .

Semua orbital saling tegak lurus, iaitu membentuk sudut 90 they. Begitu juga, fungsi sudut hilang di nukleus (asal sumbu Cartesian), dan hanya ada kemungkinan untuk menemukan elektron di dalam lobus (yang kepadatan elektronnya bergantung pada fungsi radial).

Kesan pelindung yang lemah

Elektron di orbital ini tidak dapat menembusi cengkerang dalaman semudah orbit. Membandingkan bentuknya, orbital p kelihatan lebih dekat dengan inti; namun, elektron ns lebih kerap dijumpai di sekitar nukleus.

Apakah akibat dari perkara di atas? Bahwa elektron np mengalami cas nuklear berkesan yang lebih rendah. Selanjutnya, yang terakhir dikurangkan lagi oleh kesan pelindung orbital s. Ini menjelaskan, sebagai contoh, mengapa atom dengan orbital hibrid sp ³ kurang elektronegatif daripada satu dengan orbital sp ² atau sp.

Penting juga untuk diperhatikan bahawa setiap dumbbell mempunyai satah nodular sudut, tetapi tidak ada nod radial (orbital 2p sahaja). Maksudnya, jika dihiris, tidak akan ada lapisan di dalam seperti orbital 2s; tetapi dari orbit 3p dan seterusnya, nod radial akan mula diperhatikan.

Nod sudut ini bertanggungjawab untuk elektron terluar yang mengalami kesan pelindung yang buruk. Sebagai contoh, elektron 2s melindungi yang berada di orbit 2p lebih baik daripada elektron 2s melindungi yang berada di orbit 3s.

Px, Py dan Pz

Oleh kerana nilai ml adalah -1, 0, dan +1, masing-masing mewakili orbital Px, Py, atau Pz. Secara keseluruhan, mereka dapat menampung enam elektron (dua untuk setiap orbit). Fakta ini sangat penting untuk memahami konfigurasi elektronik, jadual berkala, dan unsur-unsur yang membentuk apa yang disebut p-block.

Orbital d

Sumber: Oleh Hanilakkis0528, dari Wikimedia Commons

Orbital d mempunyai nilai l = 2, dan ml = -2, -1, 0, +1, +2. Oleh itu, terdapat lima orbit yang mampu menahan sepuluh elektron secara keseluruhan. Lima fungsi sudut orbital d ditunjukkan dalam gambar di atas.

Yang pertama, orbit 3d, kekurangan nod radial, tetapi yang lain, kecuali orbit d _z2 , mempunyai dua bidang nod; bukan bidang gambar, kerana ini hanya menunjukkan di mana sumbu lobus oren dengan bentuk daun semanggi berada. Kedua-dua bidang nod adalah bidang yang membelah tegak lurus dengan satah kelabu.

Bentuknya menjadikannya kurang berkesan untuk melindungi muatan nuklear yang berkesan. Kenapa? Kerana mereka mempunyai lebih banyak nod, di mana nukleus dapat menarik elektron luaran.

Oleh itu, semua orbital d menyumbang kepada peningkatan radiasi atom yang kurang ketara dari satu tahap tenaga ke tahap yang lain.

Orbital f

Sumber: Oleh Geek3, dari Wikimedia Commons

Akhirnya, orbital f mempunyai nombor kuantum dengan nilai l = 3, dan ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Terdapat tujuh orbital f, dengan jumlah empat belas elektron. Orbit ini boleh didapati dari tempoh 6, secara dangkal dilambangkan sebagai 4f.

Setiap fungsi sudut mewakili lobus dengan bentuk yang rumit dan beberapa bidang nod. Oleh itu, mereka melindungi elektron luaran lebih sedikit dan fenomena ini menjelaskan apa yang dikenali sebagai pengecutan lanthanide.

Atas sebab ini, bagi atom berat tidak terdapat variasi yang jelas dalam radius atom mereka dari satu tahap n ke n + 1 yang lain (misalnya 6n hingga 7n). Sehingga kini, orbit 5f adalah yang terakhir dijumpai dalam atom semula jadi atau buatan.

Dengan semua ini, jurang terbuka antara apa yang dikenali sebagai orbit dan orbit. Walaupun secara teks mereka serupa, pada kenyataannya mereka sangat berbeza.

Konsep orbit atom dan pendekatan orbit memungkinkan untuk menjelaskan ikatan kimia, dan bagaimana ia dapat, dalam satu atau lain cara, mempengaruhi struktur molekul.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi Keempat., Hlm. 13-8). Bukit Mc Graw.
2. Harry B. Kelabu. (1965). Ikatan Elektron dan Kimia. WA Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube. (sf). Orbital atom dan nombor kuantum. Dipulihkan dari: quimitube.com
4. CR Nave (2016). Memvisualisasikan Orbital Elektron. Dipulihkan dari: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Orbital Atom. Dipulihkan dari: chemguide.co.uk
6. Kisah kuantum. (26 Ogos 2011). Orbital atom, kebohongan sekolah menengah. Dipulihkan dari: cuentos-cuanticos.com