Tanulási célok

  • Az elektronpályák 3D-s ábrázolásának megértése

A pálya a Bohr-féle pálya kvantummechanikai finomítása. Az ő koncepciójával ellentétben, amely egy egyszerű, rögzített sugarú körkörös\(r\) pályáról szólt, az orbitálok matematikailag származtatott térrészek, amelyek különböző valószínűséggel tartalmaznak egy elektront.

Az elektronok valószínűségi eloszlásának egyik ábrázolási módját korábban a hidrogén 1s pályáján szemléltettük\(r\). Mivel Ψ2 megadja annak a valószínűségét, hogy egy adott térfogatban (például egy köbpikométerben) egy elektron található, a Ψ2 és az atommagtól való távolság (r) diagramja a valószínűségi sűrűség diagramja. Az 1s pálya gömbszimmetrikus, így az 1s elektron megtalálásának valószínűsége egy adott ponton csak az atommagtól való távolságtól függ. A valószínűségi sűrűség a legnagyobb \(\(r\) = 0\) (az atommagnál), és a távolság növekedésével folyamatosan csökken. Az r nagyon nagy értékeinél az elektron valószínűségi sűrűsége nagyon kicsi, de nem nulla.

A radiális valószínűséget (annak a valószínűségét, hogy az 1s elektron az atommagtól \(r\) távolságra van) úgy számíthatjuk ki, hogy összeadjuk\(r\) annak a valószínűségét, hogy egy elektron az r1, r2, r3,…, rx – 1, rx sugarú x gömbhéj minden pontján van. Gyakorlatilag az atomot nagyon vékony koncentrikus héjakra osztjuk, hasonlóan a hagyma rétegeihez (\(\PageIndex{1a}\) ábra), és kiszámítjuk annak valószínűségét, hogy egy elektron minden egyes gömbhéjon található. Emlékezzünk, hogy az elektron valószínűségi sűrűsége \(r\) = 0 (\(\(\PageIndex{1b}\ ábra)), így a pontok sűrűsége a \(r\) ábra (a) részében a legkisebb gömbhéjakon a legnagyobb. Ezzel szemben az egyes gömbhéjak felülete \(4πr^2\), amely nagyon gyorsan nő az \(r\) növekedésével (\(\(\PageIndex{1c}\) ábra). Mivel a gömbhéjak felülete gyorsabban nő \(r\) növekedésével, mint ahogy az elektron valószínűségi sűrűsége csökken, a sugárirányú valószínűség ábrája egy bizonyos \(r\) távolságnál maximumot mutat (\(\(\PageIndex{1d}\) ábra). A legfontosabb, hogy ha \(r\) nagyon kicsi, a gömbhéj felülete olyan kicsi, hogy a maghoz közeli elektron megtalálásának teljes valószínűsége nagyon alacsony; a magnál az elektron valószínűsége eltűnik (\(\(\PageIndex{1d}\) ábra).

\(\(\PageIndex{1}\) ábra: Az elektron legvalószínűbb sugara fo\(r\) a hidrogénatom alapállapotában. (a) Képzeljük el, hogy az atom teljes térfogatát nagyon vékony koncentrikus héjakra osztjuk fel a hagymás rajzon látható módon. (b) Az elektron valószínűségi sűrűség Ψ2 grafikonja \(r\) függvényében azt mutatja, hogy az elektron valószínűségi sűrűsége \(r\) = 0-nál a legnagyobb, és \(r\) növekedésével egyenletesen csökken. A pontsűrűség tehát a hagyma legbelső héjaiban a legnagyobb. (c) Az egyes héjak felülete, amelyet 4πr2 ad meg, gyorsan nő \(r\) növekedésével. (d) Ha minden gömbhéjon megszámoljuk a pontok számbe\(r\), megkapjuk az elektron megtalálásának teljes valószínűségét \(r\) adott értéke mellett. Mivel az egyes héjak felülete az \(r\) növekedésével gyorsabban nő, mint ahogy az elektron valószínűségi sűrűsége csökken, az elektron valószínűségének \(r\) (a sugárirányú valószínűség) függvényében készített ábrán egy csúcsot látunk. Ez a csúcs megfelel az elektron legvalószínűbb sugarának fo\(r\) 52,9 pm, ami pontosan a Bohr-féle hidrogénatom modell által megjósolt sugár.

Fo\(r\) a hidrogénatom, a csúcs a radiális valószínűségi diagramon \(r\) = 0,529 Å-nál (52,9 pm) jelentkezik, ami pontosan a Boh\(r\) által számított sugár az n = 1 pálya fo\(r\). Így a kvantummechanikából kapott legvalószínűbb sugár megegyezik a klasszikus mechanikával számított sugárral. Bohr modelljében azonban azt feltételezték, hogy az elektron az idő 100%-ában ebben a távolságban van, míg a Schrödinge\(r\) modellben csak az idő egy részében van ebben a távolságban. A két modell közötti különbség az elektron hullámszerű viselkedésének\(r\) és a Heisenberg-féle bizonytalansági elvnek tulajdonítható.

A \(\PageIndex{2}\) ábra összehasonlítja a hidrogén 1s, 2s és 3s pályáinak elektron valószínűségi sűrűségeit. Vegyük észre, hogy mindhárom gömbszimmetrikus. Fo\(r\) a 2s és 3s pályákon (és fo\(r\) az összes többi s pályán is) az elektron valószínűségi sűrűség nem csökken egyenletesen \(r\) növekedésével. Ehelyett a sugárirányú valószínűségi ábrákon (\(\(\PageIndex{2c}\ ábra)) egy sor minimum és maximum figyelhető meg. A minimumok gömb alakú csomópontoknak (nulla elektron valószínűségű régiók) felelnek meg, amelyek nem nulla elektron valószínűségű gömb alakú régiókkal váltakoznak. E csomópontok létezése a Ψ hullámfüggvényben bekövetkező hullámfázis-változások következménye.

\(\PageIndex{2}\) ábra: Valószínűségi sűrűségek fo\(r\) a hidrogénatom 1s, 2s és 3s pályáin. (a) Az elektron valószínűségi sűrűsége bármely síkban, amely tartalmazza az atommagot, látható. Figyeljük meg a körkörös\(r\) régiók, o\(r\) csomópontok jelenlétét, ahol a valószínűségi sűrűség nulla. (b) A contou\(r\) felületek az elektron valószínűség 90%-át zárják be, ami az 1s, 2s és 3s pályák különböző méreteit szemlélteti. A kivágott rajzok részleges nézeteket adnak a belső gömbcsomópontokról. A narancssárga colo\(r\) olyan térrészeknek felel meg, ahol a hullámfüggvény fázisa pozitív, a kék colo\(r\) pedig olyan térrészeknek, ahol a hullámfüggvény fázisa negatív. (c) Az elektron valószínűségének ezeken az ábrákon az atommagtól való távolság (r) függvényében minden irányban (radiális valószínűség) az n növekedésével nő a legvalószínűbb sugár, de a 2s és 3s pályáknak vannak jelentős elektron valószínűségű régiói az \(r\) kis értékeinél.

s pályák (l=0)

Az s pályákkal n növekedésével három dolog történik (\(\(\PageIndex{2}\) ábra):

  1. Nagyobbak lesznek, távolabb nyúlnak\(r\) az atommagtól.
  2. Több csomópontot tartalmaznak. Ez hasonlít egy állóhullámhoz, amelynek jelentős amplitúdójú tartományait csomópontok, azaz nulla amplitúdójú pontok választják el egymástól.
  3. Az adott atomban az s pályák energiája is nagyobb lesz, ahogy az n növekszik, mivel a magtól való nagyobb i\(r\) távolság miatt.

A pályákat általában háromdimenziós felületként rajzolják meg, amelyek az elektronsűrűség 90%-át zárják be, ahogyan azt a \(\(\PageIndex{2}\) ábra b) részében a hidrogén 1s, 2s és 3s pályáinál láthattuk. Bár az ilyen rajzok megmutatják a pályák relatív méretét, általában nem mutatják a gömbcsomópontokat a 2s és 3s pályákon, mert a gömbcsomópontok a 90%-os felületen belül helyezkednek el. Szerencsére a gömbcsomópontok helyzete nem fontos a\(r\) kémiai kötés szempontjából.

p Orbitálisok (l=1)

Kizárólag az s orbitálisok gömbszimmetrikusak. Az l értékének növekedésével nő a pályák száma\(r\) egy adott alhéjban, és a pályák alakja egyre bonyolultabbá válik. Mivel a 2p alhéj l = 1, az ml három értéke (-1, 0 és +1) mellett három 2p orbitál létezik.

Az \(\PageIndex{3}\) ábra: Elektron valószínűségi eloszlás fo\(r\) a hidrogén 2p orbitálisa. A nulla elektronsűrűségű csomóponti sík elválasztja a 2p orbitális két nyalábját. A \(\PageIndex{2}\) ábrához hasonlóan a színek a tér azon területeinek felelnek meg, ahol a hullámfüggvény fázisa pozitív (narancssárga) és negatív (kék).

A \(\PageIndex{3}\) ábrán az elektron valószínűségi eloszlás fo\(r\) egyik hidrogén 2p orbitálisa látható. Mivel ezen az orbitálison az elektronsűrűség két lebenye a z tengely mentén helyezkedik el, és az xy síkban az elektronsűrűség nulla (azaz az xy sík egy csomósík), ez egy \(2p_z\) orbitális. Amint az \(\PageIndex{4}\) ábra mutatja, a másik\(r\) két 2p orbitál alakja azonos, de az x tengely mentén (\(2p_x\)), illetve az y tengely mentén (\(2p_y\)) helyezkednek el. Vegyük észre, hogy minden p-orbitálnak csak egy csomóponti síkja van. Minden esetben a hullámfüggvény fo\(r\) fázisa minden egyes 2p orbitális esetében pozitív fo\(r\) a pozitív tengely mentén elhelyezkedő nyaláb, és negatív fo\(r\) a negatív tengely mentén elhelyezkedő nyaláb. Fontos hangsúlyozni, hogy ezek a jelek az elektron mozgását leíró hullám fázisának felelnek meg, nem pedig a pozitív o\(r\) negatív töltéseknek.

Ábra \(\PageIndex{4}\) A hidrogénatom három egyenértékű 2p pályája

A bemutatott felületek az elektronok teljes valószínűségének 90%-át fo\(r\) a 2px, 2py és 2pz pályákat foglalják magukba. Minden egyes orbitális a jelzett tengely mentén helyezkedik el, és egy erre a tengelyre merőleges \(r\) csomóponti sík felezi az egyes 2p-orbitálisokat. A hullámfüggvény fázisa pozitív (narancssárga) a tér azon tartományában, ahol x, y, o\(r\) z pozitív, és negatív (kék), ahol x, y, o\(r\) z negatív. Az s pályákhoz hasonlóan a p pályák mérete és bonyolultsága fo\(r\) bármely atomban növekszik a fő kvantumszámbe\(r\) n növekedésével. A 3p, 4p és a magasabb energiájú p pályák 90%-os valószínűségi felületeinek alakja azonban lényegében megegyezik a \(\PageIndex{4}\) ábrán láthatóval.

d pályák (l=2)

Az l = 2 alhéjnak öt d pályája van; az első d alhéjjal rendelkező főhéj n = 3-nak felel meg. Az öt d-orbitál ml értékei -2, -1, 0, +1 és +2.

Ábra \(\PageIndex{5}\): A hidrogénatom öt egyenértékű 3d pályája. Az ábrázolt felületek a teljes elektronvalószínűség fo\(r\) 90%-át foglalják magukba a hidrogén öt 3d-s pályáján. Az öt 3d-s pálya fou\(r\) olyan fou\(r\) lebenyekből áll, amelyek egy olyan síkban helyezkednek el, amelyet két egymásra merőleges csomóponti sík metsz. Ezek a fou\(r\) orbitálisok azonos alakúak, de különböző orientációjúak. Az ötödik 3d orbitális, a \(3d_{z^2}\), külön alakú, bár matematikailag egyenértékű a többivel. A hullámfüggvény fo\(r\) különböző nyalábjainak fázisát színnel jelöljük: narancssárga fo\(r\) pozitív és kék fo\(r\) negatív.

A \(\(\PageIndex{5}\) ábrán látható hidrogén 3d pályák bonyolultabb alakúak, mint a 2p pályák. Mind az öt 3d orbitál két csomóponti felületet tartalmaz, szemben az egyes p orbitálok egy fo\(r\) és az egyes s orbitálok nulla fo\(r\) felületével. A d-orbitálisok közül háromban az elektronsűrűség nyalábjai az x és y, x és z, illetve y és z síkok között helyezkednek el; ezeket a pályákat \(3d_{xy}\), \)3d_{xz}\), illetve \(3d_{yz}\) pályáknak nevezzük. Egy negyedik d-orbitálnak az x- és y-tengely mentén fekvő nyalábjai vannak; ez a \(3d_{x_{x^2-y^2}\) orbitál. Az ötödik 3d-orbitál, amelyet \(3d_{z^2}\) orbitálnak nevezünk, egyedi alakú: úgy néz ki, mint egy \(2p_z\) orbitál kombinálva egy további, az xy-síkban fekvő elektronvalószínűségű fánkkal. Sajátos \(r\) alakja ellenére a \(3d_{z^2}\) orbitális matematikailag egyenértékű a többi \(r\) fou\(r\) orbitálissal, és ugyanolyan energiával rendelkezik. A p orbitálisokkal ellentétben a hullámfüggvény fázisa fo\(r\) d orbitálisok esetén ugyanaz fo\(r\) ellentétes nyalábpárok esetén. Amint az \(\PageIndex{5}\) ábrán látható, a hullámfüggvény fázisa pozitív fo\(r\) a \(dz^2\) orbitális két lebenye, amelyek a z tengely mentén helyezkednek el, míg a hullámfüggvény fázisa negatív fo\(r\) az elektronsűrűség fánkja az xy síkban. Az s- és p-orbitálokhoz hasonlóan az n növekedésével a d-orbitálok mérete is nő, de az általános alakjuk hasonló marad a \(r\) ábra \(\PageIndex{5}\) ábrájához.

f Orbitálok (l=3)

Az n = 4-es főhéjaknak lehetnek l = 3 és -3, -2, -1, 0, +1, +2 és +3 ml értékű alhéjaik. Ezek az alhéjak hét f orbitálból állnak. Minden f-orbitálnak három csomóponti felülete van, így ai\(r\) alakok összetettek. Mivel az f-orbitálisok nem különösebben fontosak az ou\(r\) ou\(r\) célokra, nem tárgyaljuk őket tovább, és a nagyobb l értékű orbitálisokat egyáltalán nem tárgyaljuk.

Orbitális energiák

Bár tárgyaltuk az orbitálisok alakját, keveset mondtunk az összehasonlító energiákról. Az orbitális energiák tárgyalását a csak egyetlen elektronnal rendelkező atomok és ionok (mint például a H o\(r\) He+) vizsgálatával kezdjük.

Az \(\(\PageIndex{6}\) ábrán a hidrogénatom n ≤ 4 atomorbitálisainak relatív energiáit ábrázoljuk; vegyük észre, hogy az orbitális energiák csak az n fő kvantumszámtól függnek. Következésképpen a hidrogén 2s és 2p pályáinak energiái azonosak; a 3s, 3p és 3d pályák energiái azonosak; és így tovább. A kvantummechanika szerint a hidrogénatomban minden olyan pálya, amelynek n értéke megegyezik (pl. a három 2p pálya) degenerált, azaz azonos energiájú. A kvantummechanika segítségével a hidrogénre kapott orbitális energiák pontosan megegyeznek a Boh\(r\) által számított megengedett energiákkal. A Bohr-féle modellel ellentétben azonban, amely minden energiaszinten csak egy pályát fo\(r\) engedélyezett, a kvantummechanika szerint az n = 2 főhéjban 4 különböző elektronsűrűség-eloszlású pálya van (egy 2s és három 2p pálya), az n = 3 főhéjban 9, az n = 4 főhéjban pedig 16 pálya.Az adott főhéjon belül az egyes orbitálok eltérő l és ml értékei nem fontosak a hidrogénatom emissziós o\(r\) abszorpciós spektrumának megértéséhez a legtöbb körülmény között, de megmagyarázzák a fő vonalak felhasadását, amelyet akkor figyelhetünk meg, amikor a hidrogénatomokat mágneses térbe helyezzük. A \(\PageIndex{6}\) ábra azt mutatja, hogy az energiaszintek az n értékének növekedésével közel\(r\) és közel\(r\) együtt\(r\) lesznek, ahogy az a pályaenergiák 1/n2 függése miatt várható.

Az \(\PageIndex{6}\) ábra: Orbitális energiaszint diagram fo\(r\) a hidrogénatom egyetlen elektronnal. Minden doboz egy-egy orbitálisnak felel meg. Vegyük észre, hogy az orbitálok közötti energiakülönbség gyorsan csökken az n értékének növekedésével.

A csak egy elektronnal rendelkező fajok orbitáljainak energiái a Bohr-egyenlet mino\(r\) variációjával számíthatóak ki, amely a nuklea\(r\) töltés \(Z\) (az atommagban lévő protonok száma\(r\)) beépítésével kiterjeszthető más egyelektronos fajokra:

\

Általában mind az energia, mind a sugár csökken az atommag töltésének növekedésével. Így a legstabilabb pályák (a legalacsonyabb energiájúak) azok, amelyek a legközelebb vannak az atommaghoz. Fo\(r\) példa: a hidrogénatom alapállapotában az egyetlen elektron az 1s pályán van, míg az első gerjesztett állapotban az atom energiát vett fel, és az elektron az n = 2 pályák egyikére került. Az egyetlen elektronnal rendelkező ionokban egy adott orbitál energiája csak n-től függ, és egy főhéjon belül minden alhéj, például a \(p_x\), \(p_y\) és \(p_z\) orbitálok degeneráltak.

Összefoglaló

A fou\(r\) kémiailag fontos atomi pályatípusok \(\ell = 0\), \(1\), \(2\) és \(3\) értékeknek felelnek meg. Az \(\ell = 0\) értékű pályák s pályák, amelyek gömbszimmetrikusak, és az elektron legnagyobb valószínűséggel az atommagban található. Minden \(n > 1\) és \(ell = 0\) értékű pálya egy o\(r\) több csomópontot tartalmaz. Az \(\ell = 1\) értékű orbitálisok p-orbitálisok, és egy olyan csomóponti síkot tartalmaznak, amely magában foglalja az atommagot, ami súlyzó alakot eredményez. Az \(\ell = 2\) orbitálisok d-orbitálisok, és bonyolultabb alakúak, legalább két csomóponti felülettel. Az \(\ell = 3\) alakú pályák f pályák, amelyek még összetettebbek.

Mivel az elektron átlagos távolsága az atommagtól meghatározza az elektron energiáját, minden adott kvantumszámú atomi pályához tartozik egy bizonyos \(r\) energia, az orbitális energia.

\

A csak egyetlen elektronnal rendelkező o\(r\) ionok atomjaiban az \(n\) azonos értékű orbitálok energiája megegyezik (degeneráltak), és a főhéjak energiái egyenletesen nőnek az \(n\) növekedésével. Az o\(r\) ion atomot, amelynek elektronja(i) a legalacsonyabb energiájú orbitál(ok)ban vannak, alapállapotúnak nevezzük, míg az o\(r\) ion atomot, amelyben egy o\(r\) elektron nagyobb energiájú orbitál(ok)ban van, gerjesztett állapotúnak nevezzük.

Megosztók és hozzárendelések

  • Módosította Joshua Halpern (Howard Egyetem)

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.