ออร์บิทัลอะตอมคืออะไร?

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

ในวิชาเคมีและฟิสิกส์ ออร์บิทัลของอะตอมเป็นฟังก์ชันที่เรียกว่าฟังก์ชันคลื่นที่อธิบายลักษณะเฉพาะของอิเล็กตรอนไม่เกิน 2 ตัวในบริเวณใกล้เคียงกับนิวเคลียสของอะตอมหรือระบบของนิวเคลียส เช่นเดียวกับในโมเลกุล วงโคจรมักจะถูกวาดเป็นพื้นที่สามมิติซึ่งมีโอกาส 95% ที่จะพบอิเล็กตรอน

ออร์บิทัลและออร์บิท

เมื่อดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ มันจะติดตามเส้นทางที่เรียกว่าวงโคจร ในทำนองเดียวกัน อะตอมสามารถแสดงเป็นอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสได้ อันที่จริง สิ่งต่าง ๆ ต่างกัน และอิเล็กตรอนอยู่ในบริเวณของอวกาศที่เรียกว่าออร์บิทัลของอะตอม เคมีเป็นเนื้อหาที่มีแบบจำลองอะตอมอย่างง่ายในการคำนวณสมการคลื่นชโรดิงเงอร์และดังนั้นจึงกำหนดสถานะที่เป็นไปได้ของอิเล็กตรอน

ออร์บิทกับออร์บิทัลฟังดูคล้ายกันแต่มีความหมายต่างกันโดยสิ้นเชิง การเข้าใจความแตกต่างระหว่างพวกเขาเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

แสดงวงโคจรไม่ได้

ในการวาดเส้นโคจรของบางสิ่ง คุณต้องรู้ว่าวัตถุนั้นอยู่ที่ไหนตั้งอยู่และสามารถระบุได้ว่าจะอยู่ที่ไหนในชั่วพริบตา เป็นไปไม่ได้สำหรับอิเล็กตรอน

ตามหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก เป็นไปไม่ได้ที่จะรู้ว่าขณะนี้อนุภาคอยู่ที่ไหนและจะอยู่ที่ไหนในภายหลัง (อันที่จริง หลักการบอกว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดพร้อมกันและด้วยความแม่นยำอย่างแท้จริงโมเมนตัมและโมเมนตัม)

ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างวงโคจรของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส นี่เป็นปัญหาใหญ่หรือไม่? เลขที่ ถ้าบางอย่างเป็นไปไม่ได้ ก็ควรยอมรับและหาวิธีแก้ไข

ไฮโดรเจนอิเล็กตรอน – 1s-orbital

สมมติว่ามีอะตอมของไฮโดรเจนอยู่หนึ่งอะตอมและเมื่อถึงจุดหนึ่ง ตำแหน่งของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจะถูกประทับด้วยภาพกราฟิก หลังจากนั้นไม่นาน ขั้นตอนจะทำซ้ำและผู้สังเกตพบว่าอนุภาคอยู่ในตำแหน่งใหม่ เธอได้รับจากที่หนึ่งไปยังที่สองได้อย่างไร

ถ้าคุณทำต่อด้วยวิธีนี้ คุณจะค่อยๆ ก่อตัวเป็นแผนที่สามมิติของตำแหน่งที่อนุภาคน่าจะอยู่

ในกรณีของอะตอมไฮโดรเจน อิเล็กตรอนสามารถอยู่ที่ใดก็ได้ภายในพื้นที่ทรงกลมรอบนิวเคลียส แผนภาพแสดงภาพตัดขวางของช่องว่างทรงกลมนี้

95% ของเวลาทั้งหมด (หรือเปอร์เซ็นต์อื่นใด เนื่องจากมีเพียงขนาดของจักรวาลเท่านั้นที่สามารถให้ความแน่นอนร้อยเปอร์เซ็นต์ได้) อิเล็กตรอนจะอยู่ภายในขอบเขตพื้นที่ที่กำหนดอย่างง่าย ๆ ซึ่งอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากพอ บริเวณดังกล่าวเรียกว่าวงโคจร ออร์บิทัลของอะตอมคือพื้นที่ของอวกาศที่มีอิเล็กตรอน

เขาไปทำอะไรที่นั่น? เราไม่รู้ เราไม่รู้ ดังนั้นเราจึงมองข้ามปัญหานี้ไป! เราสามารถพูดได้ว่าถ้าอิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรใดวงหนึ่งก็จะมีพลังงานบางอย่าง

แต่ละออร์บิทัลมีชื่อ

พื้นที่ที่ถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนไฮโดรเจนเรียกว่า 1s-orbital หน่วยนี้หมายความว่าอนุภาคอยู่ที่ระดับพลังงานใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด S บอกเกี่ยวกับรูปร่างของวงโคจร S-orbitals มีความสมมาตรทรงกลมเกี่ยวกับนิวเคลียส อย่างน้อยก็เหมือนกับลูกบอลกลวงที่มีวัสดุหนาแน่นพอสมควร โดยมีนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง

2s

ออร์บิทัลถัดไปคือ 2 วินาที มันคล้ายกับ 1s ยกเว้นว่าตำแหน่งที่เป็นไปได้มากที่สุดของอิเล็กตรอนนั้นอยู่ไกลจากนิวเคลียส นี่คือวงโคจรของระดับพลังงานที่สอง

ถ้าคุณมองใกล้ ๆ คุณจะสังเกตเห็นว่าใกล้กับนิวเคลียสมีบริเวณอื่นที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงกว่าเล็กน้อย ("ความหนาแน่น" เป็นอีกวิธีหนึ่งในการระบุความน่าจะเป็นที่อนุภาคนี้จะมีอยู่ในที่ใดที่หนึ่ง)

2s อิเล็กตรอน (และ 3s, 4s ฯลฯ) ใช้เวลาบางส่วนใกล้กับศูนย์กลางของอะตอมมากกว่าที่คาดไว้ ผลที่ได้คือพลังงานลดลงเล็กน้อยใน s-orbitals ยิ่งอิเล็กตรอนเข้าใกล้นิวเคลียสมากเท่าไหร่ พลังงานของพวกมันก็จะยิ่งต่ำลง

3s-, 4s-orbitals (และอื่น ๆ) กำลังอยู่ห่างจากศูนย์กลางของอะตอมมากขึ้น

พี-ออร์บิทัล

อิเล็กตรอนบางตัวไม่อยู่ในออร์บิทัล (อันที่จริง มีเพียงไม่กี่ออร์บิทัลเท่านั้น) ในระดับพลังงานแรก ตำแหน่งเดียวที่มีสำหรับพวกเขาคือ 1 วินาที ส่วนที่สอง 2 วินาที และ 2p จะถูกเพิ่ม

ออร์บิทัลประเภทนี้เหมือนลูกโป่ง 2 อันที่เหมือนกันมากกว่า ซึ่งเชื่อมต่อกันที่แกนกลาง แผนภาพแสดงภาพตัดขวางของพื้นที่สามมิติของพื้นที่ อีกครั้ง วงโคจรแสดงเฉพาะพื้นที่ที่มีโอกาส 95% ที่จะพบอิเล็กตรอนตัวเดียว

ถ้าเรานึกภาพระนาบแนวนอนที่ผ่านนิวเคลียสในลักษณะที่ส่วนหนึ่งของวงโคจรจะอยู่เหนือระนาบและอีกส่วนหนึ่งอยู่ด้านล่าง ความน่าจะเป็นเป็นศูนย์ที่จะพบอิเล็กตรอนบนระนาบนี้. อนุภาคจะเดินทางจากส่วนหนึ่งไปอีกส่วนได้อย่างไรหากไม่สามารถผ่านระนาบของนิวเคลียสได้ นี่เป็นเพราะธรรมชาติของคลื่น

ไม่เหมือน s-, p-orbital มีทิศทางที่แน่นอน

ที่ระดับพลังงานใด ๆ คุณสามารถมี p-orbitals ที่เท่ากันสามตัวในมุมฉากซึ่งกันและกัน พวกมันจะถูกแทนด้วยสัญลักษณ์ p_x, p_y และ p_z เป็นที่ยอมรับเพื่อความสะดวก - ทิศทาง X, Y หรือ Z หมายถึงอะไรจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เนื่องจากอะตอมเคลื่อนที่แบบสุ่มในอวกาศ

P-ออร์บิทัลที่ระดับพลังงานที่สองเรียกว่า 2p_x, 2p_y และ 2p_{z. มีออร์บิทัลที่คล้ายกันในออร์บิทัลที่ตามมา - 3p}x_{, 3p}y_{, 3p}z_{, 4px}, 4p_y,4p_z และอื่นๆ

ทุกระดับ ยกเว้นชั้นแรก มี p-orbitals ในระดับที่สูงขึ้น "กลีบดอก" จะยาวขึ้น โดยตำแหน่งที่อิเล็กตรอนน่าจะอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น

d- และ f-orbitals

นอกจากออร์บิทัล s และ p แล้ว ยังมีออร์บิทัลอีกสองชุดสำหรับอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่สูงขึ้น ในวงที่สาม อาจมีห้า d-orbitals (ที่มีรูปร่างและชื่อที่ซับซ้อน) เช่นเดียวกับ 3s- และ 3p-orbitals (3p_x, 3p_{y, 3p}z_{). มีทั้งหมด 9 ที่นี่}

ในวันที่สี่ พร้อมกับ 4s และ 4p และ 4d มี f-orbitals เพิ่มเติมอีก 7 ตัวปรากฏขึ้น - รวมทั้งหมด 16 ตัว พร้อมใช้งานที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นทั้งหมด

การวางอิเล็กตรอนในออร์บิทัล

อะตอมสามารถถูกมองว่าเป็นบ้านที่หรูหรามาก (เหมือนปิรามิดคว่ำ) โดยมีนิวเคลียสอาศัยอยู่ที่ชั้นล่างและห้องต่างๆ บนชั้นบนที่ครอบครองโดยอิเล็กตรอน:

• ชั้นแรกมีเพียง 1 ห้อง (1s);
• ในห้องที่สองมีแล้ว 4 (2s, 2p_x, 2p_y และ 2p_z);
• บนชั้นสามมี 9 ห้อง (หนึ่ง 3s, 3p 3p และ 5 3d orbitals) และอื่นๆ

แต่ห้องไม่ใหญ่มาก แต่ละตัวมีอิเล็กตรอนได้ 2 ตัวเท่านั้น

วิธีที่สะดวกในการแสดงวงโคจรของอะตอมที่อนุภาคเหล่านี้อยู่คือการวาด "เซลล์ควอนตัม"

เซลล์ควอนตัม

นิวเคลียร์ออร์บิทัลสามารถแสดงเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยมีอิเล็กตรอนอยู่ในรูปลูกศร มักใช้ลูกศรขึ้นและลงเพื่อแสดงว่าอนุภาคเหล่านี้ต่างกัน

ความต้องการอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันในอะตอมเป็นผลมาจากทฤษฎีควอนตัม ถ้าพวกมันอยู่ในวงโคจรต่างกันก็ไม่เป็นไร แต่ถ้าพวกมันอยู่ในวงโคจรเดียวกัน ก็จะต้องมีความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างพวกมัน ทฤษฎีควอนตัมทำให้อนุภาคมีคุณสมบัติที่เรียกว่า "สปิน" ซึ่งเป็นไปตามทิศทางของลูกศร

วงโคจร

1s ที่มีอิเล็กตรอนสองตัวจะแสดงเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยมีลูกศรสองลูกชี้ขึ้นและลง แต่เขียนได้เร็วยิ่งขึ้นด้วย 1s² มันอ่านว่า "หนึ่งสอง" ไม่ใช่ "หนึ่งกำลังสอง" ตัวเลขในสัญกรณ์เหล่านี้ไม่ควรสับสน อันแรกคือระดับพลังงาน และอันที่สองคือจำนวนอนุภาคต่อหนึ่งออร์บิทัล

ลูกผสม

ในวิชาเคมี การผสมพันธุ์เป็นแนวคิดของการผสมออร์บิทัลของอะตอมให้เป็นออร์บิทัลแบบไฮบริดใหม่ที่สามารถจับคู่อิเล็กตรอนเพื่อสร้างพันธะเคมี Sp hybridization อธิบายพันธะเคมีของสารประกอบเช่นอัลไคน์ ในแบบจำลองนี้ ออร์บิทัลอะตอมของคาร์บอน 2s และ 2p ผสมกันเพื่อสร้างออร์บิทัล sp สองวง อะเซทิลีน C₂H₂ ประกอบด้วย sp-sp entanglement ของอะตอมของคาร์บอนสองอะตอมที่ก่อตัวเป็น σ-bond และอีกสอง π-bonds

อะตอมออร์บิทัลของคาร์บอนในไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวมีsp ไฮบริดที่เหมือนกัน³-ออร์บิทัลที่มีรูปร่างเหมือนดัมเบลล์ ซึ่งส่วนหนึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอีกส่วนหนึ่งมาก

Sp²-hybridization คล้ายกับก่อนหน้านี้และเกิดขึ้นจากการผสมหนึ่ง s และ p-orbitals สองตัว ตัวอย่างเช่น ในโมเลกุลของเอทิลีน สาม sp²- และหนึ่ง p-orbital จะถูกสร้างขึ้น

ออร์บิทัลอะตอม: หลักการเติม

ลองนึกภาพการเปลี่ยนจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งในตารางธาตุขององค์ประกอบทางเคมี เราสามารถสร้างโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมถัดไปได้โดยการวางอนุภาคเพิ่มเติมในวงโคจรถัดไปที่มีอยู่

อิเลคตรอน ก่อนเติมระดับพลังงานที่สูงกว่า ให้ครอบครองอิเล็กตรอนที่อยู่ต่ำกว่าที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียส ที่ที่มีทางเลือก พวกมันจะเติมออร์บิทัลแยกกัน

คำสั่งเติมนี้เรียกว่ากฎของ Hund ใช้เฉพาะเมื่อวงโคจรของอะตอมมีพลังงานเท่ากัน และยังช่วยลดแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอน ทำให้อะตอมมีเสถียรภาพมากขึ้น

โปรดทราบว่า s-orbital จะมีพลังงานน้อยกว่า p orbital ที่ระดับพลังงานเดียวกันเล็กน้อยเสมอ ดังนั้นอันแรกจะเติมก่อนเสมอ

ที่แปลกจริงๆคือตำแหน่งของออร์บิทัล 3 มิติ พวกมันอยู่ในระดับที่สูงกว่า 4s ดังนั้น 4s ออร์บิทัลจึงเต็มก่อน ตามด้วยออร์บิทัล 3d และ 4p ทั้งหมด

ความสับสนแบบเดียวกันนี้เกิดขึ้นที่ระดับที่สูงกว่าโดยมีการทอระหว่างกันมากขึ้น ดังนั้น ตัวอย่างเช่น ออร์บิทัลอะตอม 4f จะไม่ถูกเติมจนกว่าทุกตำแหน่งบน6s.

การรู้ลำดับการเติมเป็นหัวใจสำคัญของการทำความเข้าใจวิธีอธิบายโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์