Mga hugis ng atomic orbitals sa kalawakan. Atomic orbitals (AO)

ang rehiyon ng pinaka-malamang na lokasyon ng isang electron sa isang atom (atomic orbital) o sa isang molekula (molecular orbital).

Ang isang elektron ay hindi gumagalaw sa isang atom sa paligid ng nucleus kasama ang isang nakapirming linya ng orbital, ngunit sumasakop sa isang tiyak na rehiyon ng espasyo. Halimbawa, ang isang electron sa isang hydrogen atom ay maaaring, na may isang tiyak na posibilidad, ay alinman sa napakalapit sa nucleus o sa isang malaking distansya, ngunit mayroong isang tiyak na rehiyon kung saan ang hitsura nito ay pinaka-malamang. Sa graphically, ang orbital ay inilalarawan bilang isang ibabaw na binabalangkas ang rehiyon kung saan ang posibilidad ng paglitaw ng isang elektron ay pinakamalaki, sa madaling salita, ang density ng elektron ay pinakamataas. Ang hydrogen atom ay may spherical (spherical) electron orbital:

Sa ngayon, limang uri ng mga orbital ang inilarawan: s, p, d, f At g. Ang mga pangalan ng unang tatlo ay nabuo sa kasaysayan, pagkatapos ay pinili ang prinsipyo ng alpabeto. Ang mga hugis ng mga orbital ay kinakalkula gamit ang mga pamamaraan ng quantum chemistry.

Umiiral ang mga orbital hindi alintana kung ang isang electron ay naroroon sa kanila (mga orbital na inookupahan) o wala (mga bakanteng orbital). Ang atom ng bawat elemento, simula sa hydrogen at nagtatapos sa huling elementong nakuha ngayon, ay may kumpletong hanay ng lahat ng orbital sa lahat ng antas ng elektroniko. Ang mga ito ay puno ng mga electron habang ang atomic number, iyon ay, ang singil ng nucleus, ay tumataas.

s-Ang mga orbital, tulad ng ipinakita sa itaas, ay may spherical na hugis at, samakatuwid, ang parehong density ng elektron sa direksyon ng bawat three-dimensional na coordinate axis:

Sa unang antas ng elektroniko ng bawat atom ay isa lamang s- orbital. Simula sa ikalawang antas ng electronic bilang karagdagan sa s- Lumilitaw din ang tatlong orbital R-mga orbital. Ang mga ito ay hugis tulad ng tatlong-dimensional na walo, ito ang hitsura ng lugar ng pinaka-malamang na lokasyon R-electron sa rehiyon ng atomic nucleus. Ang bawat isa R-ang orbital ay matatagpuan sa kahabaan ng isa sa tatlong magkaparehong patayo na mga palakol, alinsunod dito sa pangalan R-Ang mga orbital ay nagpapahiwatig, gamit ang kaukulang index, ang axis kung saan matatagpuan ang pinakamataas na density ng elektron nito:

Sa modernong kimika, ang orbital ay isang pagtukoy ng konsepto na nagpapahintulot sa amin na isaalang-alang ang mga proseso ng pagbuo ng mga bono ng kemikal at pag-aralan ang kanilang mga katangian, habang ang pansin ay nakatuon sa mga orbital ng mga electron na nakikilahok sa pagbuo ng mga bono ng kemikal, iyon ay, mga valence electron. , kadalasan ang mga electron ng huling antas.

Ang carbon atom sa paunang estado ay may dalawang electron sa pangalawang (huling) elektronikong antas. s-orbitals (minarkahan ng asul) at isang electron sa dalawa R-orbital (minarkahan ng pula at dilaw), ikatlong orbital p z-bakante:

Minkin V.I., Simkin B.Ya., Minyaev R.M. Teorya ng istraktura ng molekular. Mga elektronikong shell. M., "Mir", 1979
Buchachenko A.L. Chemistry bilang musika, o mga chemical note at bagong melodies ng bagong siglo. Koleksyon ng mga sikat na artikulo sa agham, Moscow, 2002
Agham ng Russia: ang daan ng buhay. Koleksyon ng mga sikat na artikulo sa agham. M., "Octopus", 2002

Hanapin ang "ORBITAL" sa

s-Ang mga orbital, tulad ng ipinakita sa itaas, ay may spherical na hugis at, samakatuwid, ang parehong density ng elektron sa direksyon ng bawat three-dimensional na coordinate axis:

Sa modernong kimika, ang isang orbital ay isang pagtukoy sa konsepto na nagpapahintulot sa amin na isaalang-alang ang mga proseso ng pagbuo ng mga bono ng kemikal at pag-aralan ang kanilang mga katangian, habang ang pansin ay nakatuon sa mga orbital ng mga electron na nakikilahok sa pagbuo ng mga bono ng kemikal, iyon ay, valence. mga electron, kadalasan ang mga electron ng huling antas.

Ang carbon atom sa paunang estado ay may dalawang electron sa pangalawang (huling) elektronikong antas. s-orbitals (minarkahan ng asul) at isang electron sa dalawa R-orbitals (minarkahan ng pula at dilaw), ang ikatlong orbital ay p z-bakante:

Hybridization.

Sa kaso kapag ang isang carbon atom ay nakikilahok sa pagbuo ng mga saturated compound (hindi naglalaman ng maramihang mga bono), isa s- orbital at tatlo R-nagsasama-sama ang mga orbital upang bumuo ng mga bagong orbital na mga hybrid ng orihinal na orbital (ang proseso ay tinatawag na hybridization). Ang bilang ng mga hybrid na orbital ay palaging katumbas ng bilang ng mga orihinal, sa kasong ito, apat. Ang mga nagreresultang hybrid na orbital ay magkapareho sa hugis at panlabas na kahawig ng walang simetriko three-dimensional na figure eights:

Ang buong istraktura ay lumilitaw na nakasulat sa isang regular na tetrahedron - isang prisma na binuo mula sa mga regular na tatsulok. Sa kasong ito, ang mga hybrid na orbital ay matatagpuan sa kahabaan ng mga axes ng naturang tetrahedron, ang anggulo sa pagitan ng anumang dalawang axes ay 109°. Ang apat na valence electron ng Carbon ay matatagpuan sa mga hybrid na orbital na ito:

Pakikilahok ng mga orbital sa pagbuo ng mga simpleng kemikal na bono.

Ang mga katangian ng mga electron na matatagpuan sa apat na magkatulad na mga orbital ay katumbas; nang naaayon, ang mga kemikal na bono na nabuo sa pakikilahok ng mga electron na ito kapag nakikipag-ugnayan sa mga atomo ng parehong uri ay magiging katumbas.

Ang pakikipag-ugnayan ng isang carbon atom na may apat na hydrogen atoms ay sinamahan ng mutual overlap ng mga pinahabang hybrid na orbital ng carbon na may spherical orbitals ng hydrogen. Ang bawat orbital ay naglalaman ng isang electron; bilang resulta ng overlap, ang bawat pares ng mga electron ay nagsisimulang gumalaw kasama ang united molecular orbital.

Ang hybridization ay humahantong lamang sa isang pagbabago sa hugis ng mga orbital sa loob ng isang atom, at ang overlap ng mga orbital ng dalawang atoms (hybrid o ordinaryo) ay humahantong sa pagbuo ng isang kemikal na bono sa pagitan nila. Sa kasong ito ( cm. Larawan sa ibaba) ang pinakamataas na densidad ng elektron ay matatagpuan sa linya na nagkokonekta sa dalawang atomo. Ang ganitong koneksyon ay tinatawag na s-koneksyon.

Ang tradisyunal na pagsulat ng istruktura ng nagreresultang methane ay gumagamit ng simbolo ng valence bar sa halip na mga magkakapatong na orbital. Para sa isang three-dimensional na imahe ng isang istraktura, ang valence na nakadirekta mula sa drawing plane patungo sa viewer ay ipinapakita sa anyo ng isang solidong wedge-shaped na linya, at ang valence na lumalampas sa drawing plane ay ipinapakita sa anyo ng isang dashed wedge. -hugis na linya:

Kaya, ang istraktura ng methane molecule ay tinutukoy ng geometry ng hybrid orbitals ng carbon:

Ang pagbuo ng isang molekula ng ethane ay katulad ng prosesong ipinakita sa itaas, ang pagkakaiba ay kapag ang mga hybrid na orbital ng dalawang carbon atoms ay nagsasapawan, ang isang C-C bond ay nabuo:

Ang geometry ng molekula ng ethane ay kahawig ng methane, ang mga anggulo ng bono ay 109°, na tinutukoy ng spatial na pag-aayos ng mga carbon hybrid na orbital:

Pakikilahok ng mga orbital sa pagbuo ng maramihang mga bono ng kemikal.

Ang molekula ng ethylene ay nabuo din sa partisipasyon ng mga hybrid na orbital, ngunit isa lamang ang kasangkot sa hybridization s-orbital at dalawa lang R-orbital ( p x At RU), ikatlong orbital - p z, nakadirekta sa kahabaan ng axis z, hindi nakikilahok sa pagbuo ng mga hybrid. Mula sa unang tatlong orbital, lumitaw ang tatlong hybrid na orbital, na matatagpuan sa parehong eroplano, na bumubuo ng isang three-rayed star, ang mga anggulo sa pagitan ng mga axes ay 120°:

Dalawang carbon atoms ay nakakabit ng apat na hydrogen atoms at kumonekta din sa isa't isa, na bumubuo ng isang C-C s-bond:

Dalawang orbital p z, na hindi lumahok sa hybridization, nagsasapawan sa isa't isa, ang kanilang geometry ay tulad na ang overlap ay nangyayari hindi kasama ang linya ng komunikasyon ng C-C, ngunit sa itaas at sa ibaba nito. Bilang resulta, ang dalawang rehiyon na may mas mataas na density ng elektron ay nabuo, kung saan matatagpuan ang dalawang electron (minarkahan ng asul at pula), na nakikilahok sa pagbuo ng bono na ito. Kaya, nabuo ang isang molecular orbital, na binubuo ng dalawang rehiyon na pinaghihiwalay sa espasyo. Ang isang bono kung saan ang pinakamataas na density ng elektron ay matatagpuan sa labas ng linya na nagkokonekta sa dalawang atomo ay tinatawag na p-bond:

Ang pangalawang tampok na valence sa pagtatalaga ng isang double bond, na malawakang ginagamit upang ilarawan ang mga unsaturated compound sa loob ng maraming siglo, sa modernong pag-unawa ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng dalawang rehiyon na may tumaas na densidad ng elektron na matatagpuan sa magkabilang panig ng C-C bond line.

Ang istraktura ng molekula ng ethylene ay tinutukoy ng geometry ng mga hybrid na orbital, ang anggulo ng bono ng H-C-H ay 120°:

Sa panahon ng pagbuo ng acetylene, isa s-orbital at isa p x-orbital (orbital p y At p z, huwag lumahok sa pagbuo ng mga hybrid). Ang dalawang nagreresultang hybrid na orbital ay matatagpuan sa parehong linya, kasama ang axis X:

Ang overlap ng mga hybrid na orbital sa isa't isa at sa mga orbital ng hydrogen atoms ay humahantong sa pagbuo ng C-C at C-H s-bond, na kinakatawan ng isang simpleng valence line:

Dalawang pares ng natitirang mga orbital p y At p z magkakapatong. Sa figure sa ibaba, ipinapakita ng mga may kulay na arrow na, mula sa purong spatial na pagsasaalang-alang, ang pinaka-malamang na magkakapatong ng mga orbital na may parehong mga indeks x-x At ooh. Bilang resulta, dalawang p-bond ang nabuo na nakapalibot sa isang simpleng s-bond C-C:

Bilang resulta, ang molekula ng acetylene ay may hugis na baras:

Sa benzene, ang molecular backbone ay binuo mula sa mga carbon atoms na mayroong hybrid orbitals na binubuo ng isang s- at dalawa R-mga orbital na nakaayos sa hugis ng tatlong-rayed na bituin (tulad ng ethylene), R-Ang mga orbital na hindi kasama sa hybridization ay ipinapakita na semi-transparent:

Ang mga bakanteng orbital, iyon ay, ang mga hindi naglalaman ng mga electron (), ay maaari ding lumahok sa pagbuo ng mga kemikal na bono.

Mataas na antas ng mga orbital.

Simula sa ikaapat na antas ng elektroniko, ang mga atomo ay may lima d-orbitals, ang kanilang pagpuno ng mga electron ay nangyayari sa mga elemento ng paglipat, simula sa scandium. Apat d-Ang mga orbital ay may hugis ng tatlong-dimensional na quatrefoils, kung minsan ay tinatawag na "mga dahon ng klouber", naiiba lamang ang mga ito sa oryentasyon sa espasyo, ang ikalimang d-orbital ay isang three-dimensional figure na may sinulid sa isang singsing:

d-Ang mga orbital ay maaaring bumuo ng mga hybrid na may s- At p- mga orbital. Mga pagpipilian d-Ang mga orbital ay karaniwang ginagamit sa pagsusuri ng istraktura at parang multo na mga katangian ng mga transition metal complex.

Simula sa ikaanim na antas ng elektroniko, ang mga atomo ay may pito f-orbitals, ang kanilang pagpuno ng mga electron ay nangyayari sa mga atomo ng lanthanides at actinides. f-Ang mga orbital ay may medyo kumplikadong pagsasaayos; ang figure sa ibaba ay nagpapakita ng hugis ng tatlo sa pitong mga orbital, na may parehong hugis at nakatuon sa espasyo sa iba't ibang paraan:

f-Ang mga orbital ay napakabihirang ginagamit kapag tinatalakay ang mga katangian ng iba't ibang mga compound, dahil ang mga electron na matatagpuan sa mga ito ay halos hindi nakikibahagi sa mga pagbabagong kemikal.

Mga prospect.

Sa ikawalong antas ng elektroniko mayroong siyam g-mga orbital. Ang mga elementong naglalaman ng mga electron sa mga orbital na ito ay dapat na lumitaw sa ikawalong yugto, habang ang mga ito ay hindi magagamit (elemento Blg. 118, ang huling elemento ng ikapitong yugto ng Periodic Table, ay inaasahang makukuha sa malapit na hinaharap; ang synthesis nito ay isinasagawa sa Joint Institute for Nuclear Research sa Dubna).

Form g-Ang mga orbital, na kinakalkula ng mga pamamaraan ng quantum chemistry, ay mas kumplikado kaysa sa mga f-orbitals, ang rehiyon ng pinaka-malamang na lokasyon ng electron sa kasong ito ay mukhang napaka-kakaiba. Nasa ibaba ang hitsura ng isa sa siyam na mga orbital:

Sa modernong kimika, ang mga konsepto ng atomic at molecular orbitals ay malawakang ginagamit sa paglalarawan ng istraktura at mga katangian ng reaksyon ng mga compound, gayundin sa pagsusuri ng spectra ng iba't ibang mga molekula, at sa ilang mga kaso upang mahulaan ang posibilidad ng mga reaksyon na nagaganap.

Mikhail Levitsky

Kapag tinatalakay ang mga kemikal na katangian ng mga atomo at molekula - istraktura at reaktibiti - isang ideya ng spatial na anyo ng mga atomic orbital ay maaaring maging malaking tulong sa husay na solusyon ng isang partikular na isyu. Sa pangkalahatang kaso, ang mga AO ay isinusulat sa kumplikadong anyo, ngunit gumagamit ng mga linear na kumbinasyon ng mga kumplikadong function na nauugnay sa parehong antas ng enerhiya na may pangunahing quantum number. P at sa parehong halaga ng orbital momentum /, posibleng makakuha ng mga expression sa totoong anyo na maaaring ilarawan sa totoong espasyo.

Isaalang-alang natin ang sunud-sunod na serye ng mga AO sa hydrogen atom.

Ang wave function ng ground state 4^ ay mukhang pinakasimple. Mayroon itong spherical symmetry

Ang halaga ng a ay tinutukoy ng expression kung saan ang halaga

tinawag Bohr radius. Ang Bohr radius ay nagpapahiwatig ng mga katangian ng laki ng mga atomo. Tinutukoy ng halaga ng 1/oc ang sukat ng katangian ng pagkabulok ng mga pag-andar sa mga atomo ng one-electron

Mula sa (EVL) ay malinaw na lumiliit ang laki ng one-electron atoms habang tumataas ang nuclear charge sa kabaligtaran na proporsyon sa halaga ng Z. Halimbawa, sa He + atom ang wave function ay bababa nang dalawang beses nang mas mabilis kaysa sa hydrogen atom na may katangiang distansya na 0.265 A.

Ang pag-asa ng *F ls sa distansya ay ipinapakita sa Fig. 3.3. Ang maximum ng function *Fj ay nasa zero. Ang paghahanap ng isang electron sa loob ng isang nucleus ay hindi dapat masyadong nakakagulat, dahil ang nucleus ay hindi maaaring isipin bilang isang hindi malalampasan na globo.

Ang pinakamataas na posibilidad ng pag-detect ng isang electron sa ilang distansya mula sa nucleus sa ground state ng isang hydrogen atom ay nangyayari sa r = a 0 = 0.529 A. Ang halagang ito ay matatagpuan sa mga sumusunod. Ang posibilidad na makahanap ng isang electron sa ilang maliit na volume A V katumbas ng |*P| 2 DY. Dami AV ipinapalagay namin na napakaliit na ang halaga ng function ng wave ay maituturing na pare-pareho sa loob ng maliit na volume na ito. Interesado kami sa posibilidad na makahanap ng isang elektron sa malayo G mula sa core sa isang manipis na layer ng kapal A G. Dahil ang posibilidad ng paghahanap ng isang elektron sa malayo G ay hindi nakasalalay sa direksyon at ang tiyak na direksyon ay hindi interesado sa amin, pagkatapos ay kailangan nating hanapin ang posibilidad ng isang elektron na manatili sa isang napakanipis na spherical layer ng kapal A G. Dahil ang halaga | V F| 2 ay madaling kalkulahin, kailangan namin

kanin. 3.3. Pagdepende ng *F 1s sa distansya. Ang mga halaga ng function ay na-normalize sa halaga nito sa r = O

kanin. 3.4.Scheme para sa pagkalkula ng dami ng isang spherical layer

hanapin ang volume ng spherical layer, na tinutukoy namin ng A K. Ito ay katumbas ng pagkakaiba sa mga volume ng dalawang bola na may radii G At g + Ar(Larawan 3.4):

Dahil si A G maliit kumpara sa G, pagkatapos ay kapag kinakalkula ang halaga (g + Ar) 3 maaari nating limitahan ang ating sarili sa unang dalawang termino. Pagkatapos ay para sa dami ng spherical layer na nakuha namin

Ang huling expression ay maaaring makuha sa isang mas simpleng paraan. Dahil si A G maliit kumpara sa G, kung gayon ang dami ng spherical layer ay maaaring kunin katumbas ng produkto ng lugar ng spherical layer at ang kapal nito (tingnan ang Fig. 3.4). Ang lugar ng globo ay 4kg 2, at kapal A G. Ang produkto ng dalawang dami na ito ay nagbibigay ng parehong expression (3.11).

Kaya ang posibilidad W hanapin ang electron sa layer na ito ay katumbas ng

Ang expression para sa *P ls ay kinuha mula sa Appendix 3.1. Kung isasaalang-alang natin ang halaga ng A G pare-pareho, pagkatapos ay ang maximum ng pinababang function ay sinusunod sa G = isang 0.

Kung gusto mong malaman kung ano ang posibilidad W tuklasin ang elektron sa dami V, pagkatapos ito ay kinakailangan upang isama ang probabilidad density ng pag-detect ng isang electron sa rehiyon ng espasyo alinsunod sa expression (3.6).

Halimbawa, ano ang posibilidad ng pag-detect ng isang electron sa isang hydrogen atom sa isang spherical na rehiyon ng espasyo na may sentro sa nucleus at may radius x 0. Pagkatapos

Narito ang halaga d V sa panahon ng mga kalkulasyon ito ay pinalitan ng 4kg 1 dr sa pamamagitan ng pagkakatulad sa (3.11), dahil ang pag-andar ng alon ay nakasalalay lamang sa distansya at samakatuwid ay hindi na kailangang isama ang mga anggulo dahil sa kawalan ng angular na pag-asa ng integrable na pag-andar.

Ang isang husay na ideya ng pamamahagi ng function ng wave sa espasyo ay ibinibigay ng imahe ng mga atomic na orbital sa anyo ng mga ulap, at kung mas matindi ang kulay, mas mataas ang halaga ng function na H". Ang orbital ay magmumukhang ito (Larawan 3.5):

kanin. 3.5.

Orbital 2p z B ang anyo ng isang ulap ay ipinapakita sa Fig. 3.6.

kanin. 3.6. Larawan ng 2p g orbital ng isang hydrogen atom sa anyo ng isang ulap

Sa katulad na paraan, ang distribusyon ng density ng elektron ay magmumukhang isang ulap, na maaaring matagpuan sa pamamagitan ng pagpaparami ng probability density I"Fj 2 sa singil ng elektron. Sa kasong ito, minsan ay pinag-uusapan nila ang tungkol sa electron smearing. Gayunpaman, hindi ito sa anumang paraan Nangangahulugan na tayo ay nakikitungo sa pagpapahid ng electron sa buong kalawakan - walang tunay na pahid ng electron sa kalawakan ang nangyayari, at samakatuwid ang hydrogen atom ay hindi maaaring katawanin bilang isang nucleus na nakalubog sa isang tunay na ulap ng negatibong singil.

Gayunpaman, ang mga naturang larawan sa anyo ng mga ulap ay bihirang ginagamit, at mas madalas ang mga linya ay ginagamit upang lumikha ng isang ideya ng angular na pag-asa ng mga function ng H". Upang gawin ito, kalkulahin ang mga halaga ng Ang H" ay gumagana sa isang globo na iginuhit sa isang tiyak na distansya mula sa nucleus. Pagkatapos ang mga kinakalkula na halaga ay naka-plot sa radii, na nagpapahiwatig ng tanda ng Ch"-function para sa pinaka-kaalaman na seksyon ng eroplano para sa isang naibigay na Ch"-function. Halimbawa, ang Is orbital ay karaniwang inilalarawan bilang isang bilog (Larawan 3.7).

kanin.

Sa Fig. Ang 3.8 2/> r-orbital ay itinayo sa isang globo ng ilang radius. Upang makakuha ng isang spatial na larawan, kinakailangan upang paikutin ang figure na may kaugnayan sa z axis. Ang index na "z" kapag nagsusulat ng isang function ay nagpapahiwatig ng oryentasyon ng function kasama ang "z" axis. Ang mga palatandaan na "+" at "-" ay tumutugma sa mga palatandaan ng H"-function. Ang mga halaga ng 2/? z-function ay positibo sa rehiyon ng espasyo kung saan ang ^-coordinate ay positibo, at negatibo sa ang rehiyon kung saan negatibo ang ^-coordinate.

kanin. 3.8. Form 2p z-mga orbital. Itinayo sa isang globo ng ilang radius

Ang sitwasyon ay katulad sa kaso ng natitirang /orbitals. Halimbawa, 2/? Ang x-orbital ay naka-orient sa kahabaan ng x-axis at positibo sa bahaging iyon ng espasyo kung saan ang x-coordinate ay positibo, at ang mga halaga nito ay negatibo kung saan ang mga x-coordinate na halaga ay negatibo (Fig. 3.9).

Ang imahe ng mga function ng alon na nagpapahiwatig ng sign ay mahalaga para sa isang husay na paglalarawan ng reaktibiti ng mga kemikal na compound, at samakatuwid ang mga imahe tulad ng ipinapakita sa Fig. Ang 3.9 ay madalas na matatagpuan sa panitikan ng kemikal.

Isaalang-alang natin ngayon ang mga d-orbital (Larawan 3.10). Mga orbital dxy, dxz, dyz, mukhang katumbas. Ang kanilang oryentasyon at mga palatandaan ay tinutukoy ng mga subscript: index xy mga palabas

kanin. 3.9. Form 2p x - mga orbital. Itinayo sa isang globo ng ilang radius

na ang orbital ay nakatuon sa mga anggulo na 45° na may paggalang sa x at mga palakol sa at na ang tanda ng Y-function ay positibo kung saan ang produkto ng mga indeks x at sa positibo.

kanin. 3.10.

Ang sitwasyon ay katulad ng natitirang ^/-orbitals. Ang imahe ng ^/-orbitals na ipinapakita sa Fig. 3.10, ay madalas na matatagpuan sa panitikan. Ito ay makikita na ang mga orbital d , d x2 _ y2 , d z2 ay hindi katumbas. Ang mga orbital lamang ang katumbas d , d xz , d yz . Kung kailangan ng limang katumbas na ^/-orbital upang ilarawan ang istruktura ng isang molekula, maaari silang mabuo gamit ang mga linear na kumbinasyon ng mga orbital.

Upang maunawaan ito, kailangan mong malaman ang mga prinsipyo ng paggawa ng mga electronic shell. Ang mga electron na nakapalibot sa nuclei ay hindi mga point charge, ngunit kumakatawan sa isang uri ng "ulap" ng negatibong singil. Ang lugar ng espasyo na inookupahan ng electron cloud ay tinatawag na " orbital" Ang bawat orbital ay inilarawan sa matematika function ng alonψ (pag-andar ng psi). Ang parisukat ng function na ito ψ 2 ay may pisikal na kahulugan: sinasalamin nito ang posibilidad na makahanap ng isang electron cloud sa volume na isinasaalang-alang. Ang bawat elektron ay tumutugma sa isang tiyak (quantized) na antas ng enerhiya. Ang mga function ng wave ng bawat orbital ay naiiba sa bawat isa sa pamamagitan ng isang set ng tatlong quantum number n, l At m.

Pangunahing numero ng quantum n – tumatanggap lamang ng mga halaga ng integer ( n= 1, 2, 3...) at nagpapakilala sa enerhiya ng elektronikong estado.

Orbital quantum number l – nagpapakilala sa geometry ng electron cloud. Tumatanggap ng mga halaga l = 0, 1, 2, 3… (n- 1). Ayon sa halaga ng numero ay nagbabago mula sa numero l makilala:

s-orbital ( l = 0),

p-orbital ( l = 1),

d-orbital ( l = 2),

f-orbital ( l = 3).

Sa pare-parehong halaga ng pangunahing quantum number ( n = const) ang pagbabago sa halaga ay nauugnay sa isang bahagyang pagbabago sa estado ng enerhiya.

Magnetic quantum number m– tinutukoy ang oryentasyon ng orbital sa espasyo. Kinukuha ang mga halaga = 0, ±1, ±2, … ± l. Pagbabago ng halaga m sa pare-pareho n At l ay hindi nauugnay sa isang pagbabago sa antas ng enerhiya ng orbital.

Kasama ang tatlong quantum number na ito n, l At m may tinatawag na spin quantum number m S, na tumutugma sa dalawang posibleng direksyon ng oryentasyon ng sariling magnetic moment ng electron. Kinukuha ng magnetic quantum number ang mga halaga m S = +1/2 at –1/2.

Ang pagpuno ng mga orbital ay nangyayari alinsunod sa prinsipyo ng Pauli 3, ayon sa kung saan ang isang atom ay hindi maaaring magkaroon ng dalawang electron na may magkaparehong hanay ng mga quantum number. Ibig sabihin, sa isang atom ay ang mga electron lamang na naiiba sa kahit isang quantum number lang ang pinapayagang magkasabay. Isinasaalang-alang ang prinsipyo ng Pauli, ang maximum na bilang ng mga electron sa shell ( n= const) ay katumbas ng 2 n 2 (tingnan ang Talahanayan 1).

Talahanayan 1

Pagpuno ng mga orbital ng elektron ayon sa prinsipyo ng Pauli

Quantum number

Tungkol sa mga shell

Ang kahulugan ng quantum numbers

m s

Bilang ng mga electron

Molecular orbitals (mo)

Ang pagbuo ng isang covalent chemical bond ay nangyayari sa pamamagitan ng overlapping electron orbitals. Mayroong dalawang pangunahing uri ng overlap:

- σ-buklod– overlap ng atomic orbitals sa axis na kumukonekta sa parehong nuclei

s s p p

- π-bond – overlap ng mga orbital na ang mga axes ay parallel

Kapag nabuo ang isang kemikal na bono, ang mga electron ng mga atom na dating sumakop sa mga atomic orbital (AO) ay lumipat sa bagong molecular orbitals (MO). Sa matematika, ang isang molecular orbital ay inilalarawan ng isang bagong wave function, na isang linear na kumbinasyon ng mga wave function ng atomic orbitals:

ψ s = a 1 .ψ 1 + a 2. ψ 2

Kapag nag-overlap ang atomic orbitals (AO), ang parehong bilang ng molecular orbitals (MO) ay lilitaw. Sa isang naisalokal na bono, dalawang atomic orbital ang magkakapatong, na nagreresulta sa dalawang molecular orbitals. Ang isa sa mga MO ay may enerhiya na mas mababa kaysa sa enerhiya ng orihinal na AO ( kumokonekta orbital), at ang iba pang MO ay may enerhiya na mas mataas kaysa sa enerhiya ng AO ( antibinding o lumuluwag orbital):

Edukasyon S– mga komunikasyon

S* – antibonding orbital

- - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - σ S– bonding orbital

Edukasyon π R– mga komunikasyon

- - - - - - - - - - - - - - - π R z * - antibonding orbital

-- - - - - - - -

p z p z - - - - - - - - - - - - - - - - - π R z – bonding orbital

Para sa mga elemento ng unang tatlong yugto, ang mga antas ng enerhiya ng MO ay karaniwang pinupunan sa sumusunod na pagkakasunud-sunod:

σ 1s < σ 1s * < σ 2s < σ 2s * < σ 2px < π 2py = π 2pz < π 2py * = π 2pz * < σ 2px * < …

Bilang halimbawa, alinsunod sa pagkakasunud-sunod na ito, punan natin ang mga "istante" ng enerhiya ng mga molekula ng MO ng nitrogen N2 at carbon monoxide CO:

Ang isang nitrogen molecule ay binubuo ng dalawang nitrogen atoms:

N(1s 2 2s 2 2p 3)+ N(1s 2 2s 2 2p 3) → N 2 [(σ 1s) 2 (σ 1s*) 2 (σ 2s) 2 (σ 2s*) 2 (σ 2p) 2 (π 2py) 2 (π 2pz) 2 ],

7 electron 7 electron 14 electron

Ang isang molekula ng carbon monoxide ay binubuo ng isang carbon atom at isang oxygen atom

C(1s 2 2s 2 2p 2)+ O(1s 2 s 2 2p 4) → CO[(σ 1s) 2 (σ 1s*) 2 (σ 2s) 2 (σ 2s*) 2 (σ 2p) 2 (π 2py) 2 (π 2pz) 2 ]

6 electron 8 electron 14 electron

Ang molecular orbitals ng N 2 at CO ay naglalaman ng 14 na electron bawat isa. Tulad ng makikita mula sa mga diagram sa itaas, ang mga nilalaman ng square bracket (MO) para sa mga molekulang ito ay magkapareho. Ang mga compound ng ganitong uri na may parehong istraktura ng MO ay tinatawag na mga compound na may isoelectronic na istraktura. Ang mga naturang compound ay may medyo magkatulad na pisikal na katangian (tingnan ang Talahanayan 2).

talahanayan 2

Mga pisikal na katangian ng nitrogen N 2 at carbon monoxide CO

Pagkakasunud-sunod ng komunikasyon kinukuha namin ito na katumbas ng kalahating pagkakaiba sa pagitan ng bilang ng mga electron na matatagpuan sa mga bonding orbital at ang bilang ng mga electron na matatagpuan sa mga antibonding orbital:

n = ½ . (N St. – N resolusyon )

saan: n – kaayusan ng komunikasyon,

N St. – bilang ng mga electron sa bonding orbitals

N resolusyon – ang bilang ng mga electron na matatagpuan sa mga antibonding orbital.

Batay sa pagbuo ng mga molecular orbitals ng CO molecule, nalaman namin na ang pagkakasunud-sunod ng bono sa pagitan ng C at O atoms ay n= 3, na ipinapalagay teorya ng octet(Tingnan ang Seksyon 1.1).

Ang pang-eksperimentong pamantayan para sa pagkakasunud-sunod ng bono ay:

Enerhiya ng komunikasyon,

Haba ng link,

Mga parameter ng IR spectra (power constant).

Paksa 6 Mga elektronikong pagsasaayos ng mga atom ng mga elemento ng kemikal.

1. Ang konsepto ng mga orbital. s-, R- At d-mga orbital.

2. Mga elektronikong pagsasaayos ng mga atomo ng mga elemento ng kemikal.

Ang konsepto ng mga orbital. s-, p- at d-orbitals

Ang atom ay isang electrically neutral na particle na binubuo ng positively charged nucleus at negatively charged electron.

Ang mga electron ay matatagpuan sa paligid ng nucleus sa mga antas ng enerhiya, ang bilang nito ay katumbas ng bilang ng panahon.

Ang atomic orbital ay isang geometric na imahe na tumutugma sa dami ng espasyo sa paligid ng atomic nucleus, na tumutugma sa 90% na posibilidad na makahanap ng isang electron sa volume na ito (bilang isang particle) at sa parehong oras sa 90% charge density ng ang elektron (bilang isang alon).

Ang isang maingat na pagsusuri ng atomic spectra ay nagpapakita na ang "makapal" na mga linya na dulot ng mga paglipat sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ay talagang nahahati sa mas manipis na mga linya. Nangangahulugan ito na ang mga shell ng elektron ay aktwal na nahati sa mga subshell. Ang mga electronic subshell ay itinalaga ng mga uri ng mga linya na naaayon sa kanila sa atomic spectra:

s-pinangalanan ang subshell para sa "matalim" nito s-mga linya - matalas;
p-pinangalanan ang subshell pagkatapos ng "pangunahing" p-mga linya - punong-guro;
d-pinangalanan ang subshell pagkatapos ng “diffuse” d-mga linya - nagkakalat;
f-ang subshell ay pinangalanan pagkatapos ng "pangunahing" f-mga linya - pundamental.

Mga antas ng enerhiya, sublevel at orbital ng isang multielectron atom

Antas ng enerhiya n	Sublevel ng enerhiya	Orbital na pagtatalaga	Bilang ng mga orbital n	Bilang ng mga electron 2n
l	uri ng orbital
		s	1s
		s p	2s 2p	1 3 4	2 8
		s p d	3s 3p 3d	1 3 9	2 6 18
		s p d f	4s 4p 4d 4f	1 3 16	2 6 32

Ang prinsipyo ng Pauli: ang isang atom ay hindi maaaring magkaroon ng dalawang electron sa magkatulad na estado.

Alinsunod sa prinsipyo ng Pauli, maaari itong mapagtatalunan na ang bawat elektron sa isang atom ay natatanging nailalarawan sa pamamagitan ng sarili nitong hanay ng apat na quantum number - ang pangunahing n, orbital l, magnetic m at iikot s.

Ang populasyon ng mga antas ng enerhiya, mga sublevel at atomic na orbital ng mga electron ay napapailalim sa sumusunod na panuntunan (prinsipyo ng pinakamababang enerhiya): sa isang hindi nasasabik na estado, ang lahat ng mga electron ay may pinakamababang enerhiya.

Nangangahulugan ito na ang bawat isa sa mga electron na pumupuno sa shell ng isang atom ay sumasakop sa isang orbital na ang atom sa kabuuan ay may pinakamababang enerhiya. Ang patuloy na pagtaas ng dami sa enerhiya ng mga sublevel ay nangyayari sa sumusunod na pagkakasunud-sunod:

1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 4s – 3d – 4p – 5s-…..

Ang pagpuno ng mga atomic orbital sa loob ng isang sublevel ng enerhiya ay nangyayari alinsunod sa panuntunang binuo ng German physicist na si F. Hund (1927).

Panuntunan ni Hund: ang mga atomic na orbital na kabilang sa parehong sublevel ay pinupuno muna ng isang electron, at pagkatapos ay pupunuin sila ng pangalawang electron.

Ang panuntunan ni Hund ay tinatawag ding prinsipyo ng maximum multiplicity, i.e. ang maximum na posibleng parallel na direksyon ng mga spins ng mga electron ng isang sublevel ng enerhiya.

Ang isang libreng atom ay maaaring magkaroon ng hindi hihigit sa walong mga electron sa pinakamataas na antas ng enerhiya nito.

Tinatawag ang mga electron na matatagpuan sa pinakamataas na antas ng enerhiya ng isang atom (sa panlabas na layer ng elektron). panlabas; Ang bilang ng mga panlabas na electron sa isang atom ng anumang elemento ay hindi hihigit sa walo. Para sa maraming elemento, ito ay ang bilang ng mga panlabas na electron (na may napunong panloob na mga sublevel) na higit na tumutukoy sa kanilang mga kemikal na katangian. Para sa iba pang mga electron na ang mga atom ay may hindi napunong panloob na sublevel, halimbawa 3 d- sublevel ng mga atomo ng mga elemento tulad ng Sc, Ti, Cr, Mn, atbp., ang mga katangian ng kemikal ay nakasalalay sa bilang ng parehong panloob at panlabas na mga electron. Ang lahat ng mga electron na ito ay tinatawag valence; sa mga pinaikling elektronikong formula ng mga atomo ang mga ito ay isinulat pagkatapos ng simbolo ng atomic skeleton, iyon ay, pagkatapos ng expression sa square bracket.

Portal para sa mga mag-aaral. Paghahanda sa sarili

Hybridization.

Pakikilahok ng mga orbital sa pagbuo ng mga simpleng kemikal na bono.

Pakikilahok ng mga orbital sa pagbuo ng maramihang mga bono ng kemikal.

Mataas na antas ng mga orbital.

Mga prospect.

Molecular orbitals (mo)

MGA KAUGNAY NA ARTIKULO