ATOMIK ORBITALLER: NELERDEN OLUŞURLAR VE TÜRLERI - KIMYA - 2025

Atomik orbitaller elektronlar için bir dalga fonksiyonunun ile tanımlanan atomun bu bölgeler bulunmaktadır. Dalga fonksiyonları, Schrödinger denkleminin çözülmesiyle elde edilen matematiksel ifadelerdir. Bunlar, uzaydaki bir veya daha fazla elektronun enerji durumunu ve onu bulma olasılığını tanımlar.

Kimyagerler tarafından bağı ve periyodik tabloyu anlamak için uygulanan bu fiziksel kavram, elektronu aynı anda bir dalga ve bir parçacık olarak görüyor. Bu nedenle, elektronların çekirdeğin veya güneşin etrafındaki yörüngelerde dönen gezegenler olduğu güneş sisteminin görüntüsü atılır.

Kaynak: Haade tarafından, Wikimedia Commons aracılığıyla

Bu modası geçmiş görselleştirme, atomun enerji seviyelerini gösterirken işe yarar. Örneğin: yörüngeleri ve bunların statik elektronlarını temsil eden eş merkezli halkalarla çevrili bir daire. Aslında atomun çocuklara ve gençlere tanıtıldığı görüntü budur.

Bununla birlikte, gerçek atomik yapı, kaba bir resmini bile çekemeyecek kadar karmaşıktır.

Elektronu bir dalga-parçacığı olarak düşünerek ve hidrojen atomu için (en basit sistem) Schrödinger diferansiyel denklemini çözerek, ünlü kuantum sayıları elde edildi.

Bu sayılar, elektronların atomda herhangi bir yeri işgal edemeyeceğini, ancak yalnızca ayrık ve nicemlenmiş bir enerji seviyesine uyanların bulunduğunu gösterir. Yukarıdakilerin matematiksel ifadesi bir dalga fonksiyonu olarak bilinir.

Böylece, hidrojen atomundan, kuantum sayıları tarafından yönetilen bir dizi enerji durumu tahmin edildi. Bu enerji durumları atomik orbitaller olarak adlandırıldı.

Ancak bunlar yalnızca bir hidrojen atomundaki bir elektronun nerede olduğunu açıklıyordu. Diğer atomlar için polielektronik, helyumdan itibaren yörünge yaklaşımı yapıldı. Neden? Çünkü iki veya daha fazla elektronlu atomlar için Schrödinger denklemini çözmek çok karmaşıktır (mevcut teknolojiyle bile).

Atomik orbitaller nelerdir?

Atomik orbitaller, iki bileşenden oluşan dalga işlevleridir: bir radyal ve bir açısal. Bu matematiksel ifade şu şekilde yazılmıştır:

Ψ _NLML = R _nl (r) Y, _lml (θφ)

İlk başta karmaşık görünse de, n, l ve ml kuantum sayılarının küçük harflerle gösterildiğine dikkat edin. Bu, bu üç sayının yörüngeyi tanımladığı anlamına gelir. R, _nl daha radyal fonksiyonu olarak bilinir (r), Nyl bağlıdır; Y ise _lml (θφ), açısal fonksiyon, l ve ml bağlıdır.

Matematiksel denklemde ayrıca r, çekirdeğe uzaklık ve θ ve ϕ değişkenleri vardır. Tüm bu denklem setinin sonucu, orbitallerin fiziksel bir temsilidir. Hangisi? Yukarıdaki resimde görülen. Aşağıdaki bölümlerde açıklanacak bir dizi orbital gösterilmektedir.

Şekilleri ve tasarımları (renkler değil), dalga fonksiyonlarının ve uzaydaki radyal ve açısal bileşenlerinin grafiğini çizmekten gelir.

Radyal dalga fonksiyonu

Denklemde görüldüğü gibi, R _nl (r) hem n'ye hem de l'ye bağlıdır. Böylece, radyal dalga fonksiyonu, ana enerji seviyesi ve alt seviyeleri ile tanımlanır.

Yönünden bağımsız olarak elektronun fotoğrafı çekilebilseydi, sonsuz küçük bir nokta gözlemlenebilirdi. Ardından, milyonlarca fotoğraf çekilerek, nokta bulutunun çekirdeğe olan mesafenin bir fonksiyonu olarak nasıl değiştiği detaylandırılabilir.

Bu sayede bulutun uzaktaki ve çekirdeğe yakın yoğunluğu karşılaştırılabilir. Aynı işlem başka bir enerji seviyesi veya alt seviyesi ile tekrarlanırsa, bir öncekini çevreleyen başka bir bulut oluşur. İkisi arasında, elektronun asla konumlanmadığı küçük bir boşluk vardır; bu, radyal düğüm olarak bilinen şeydir.

Ayrıca bulutlarda daha yüksek ve daha düşük elektron yoğunluğuna sahip bölgeler vardır. Çekirdekten büyüdükçe ve uzaklaştıkça, daha fazla radyal düğümleri olur; ve dahası, elektronun daha sık yuvarlandığı ve bulunma ihtimalinin daha yüksek olduğu bir r mesafesi.

Açı dalgası işlevi

Yine, Y, bu denklemde bilinmektedir _lml (θφ) temel kuantum sayıları l ve ml tarif edilmektedir. Bu sefer manyetik kuantum sayısına katılır, bu nedenle uzaydaki elektronun yönü belirlenir; ve bu yön, θ ve ϕ değişkenlerini içeren matematiksel denklemlerden çizilebilir.

Şimdi, fotoğraf çekmeye değil, atomdaki elektronun yörüngesinin bir videosunu kaydetmeye devam ediyoruz. Önceki deneyin aksine elektronun tam olarak nerede olduğu değil, nereye gittiği biliniyor.

Elektron hareket ettikçe, daha belirgin bir bulutu tanımlar; aslında, küresel bir şekil veya resimde görülenler gibi loblu bir şekil. Şekillerin tipi ve uzaydaki yönleri l ve ml ile tanımlanmıştır.

Çekirdeğe yakın, elektronun geçmediği ve şeklin kaybolduğu bölgeler vardır. Bu tür bölgeler köşe düğümleri olarak bilinir.

Örneğin, ilk küresel yörüngeye bakarsanız, hemen her yönden simetrik olduğu sonucuna varırsınız; ancak, şekilleri boş alanlar gösteren diğer yörüngelerde durum böyle değildir. Bunlar, Kartezyen düzlemin başlangıcında ve loblar arasındaki hayali düzlemlerde gözlemlenebilir.

Elektron ve kimyasal bağı bulma olasılığı

Kaynak: CK-12 Vakfı tarafından (Dosya: High School Chemistry.pdf, sayfa 265), Wikimedia Commons aracılığıyla

Bir yörüngede bir elektron bulmanın gerçek olasılığını belirlemek için, iki işlev dikkate alınmalıdır: radyal ve açısal. Bu nedenle, açısal bileşeni, yani yörüngelerin gösterilen şeklini, aynı zamanda elektron yoğunluğunun çekirdekten uzaklığa göre nasıl değiştiğini varsaymak yeterli değildir.

Bununla birlikte, yönler (ml) bir yörüngeyi diğerinden ayırdığından, yalnızca yörüngenin şeklini dikkate almak pratiktir (belki de tamamen doğru olmasa da). Böylelikle kimyasal bağın açıklaması bu rakamların üst üste binmesi ile açıklanmaktadır.

Örneğin, yukarıdaki üç orbitalin karşılaştırmalı bir görüntüsüdür: 1s, 2s ve 3s. İçindeki radyal düğümlerine dikkat edin. 1s yörüngesinin düğümü yoktur, diğer ikisinin ise bir ve iki düğümü vardır.

Kimyasal bir bağ düşünüldüğünde, bu orbitallerin yalnızca küresel şeklini akılda tutmak daha kolaydır. Bu şekilde ns yörüngesi diğerine yaklaşır ve r mesafesinde elektron, komşu atomun elektronu ile bir bağ oluşturacaktır. Buradan, bu bağlantıyı açıklayan birkaç teorisyen (TEV ve TOM) ortaya çıkar.

Nasıl sembolize ediliyorlar?

Atomik orbitaller açıkça şu şekilde sembolize edilir: nl _ml .

Kuantum sayıları, 0, 1, 2, vb. Tam sayı değerlerini alır, ancak orbitalleri sembolize etmek için yalnızca sayısal bir değer bırakılır n. L için, tam sayı karşılık gelen harfle (s, p, d, f) değiştirilir; ve ml için bir değişken veya matematiksel formül (ml = 0 hariç).

Örneğin, 1s orbital için: n = 1, s = 0 ve ml = 0. Aynısı tüm ns orbitalleri için de geçerlidir (2s, 3s, 4s, vb.).

Orbitallerin geri kalanını sembolize etmek için, her biri kendi enerji seviyelerine ve özelliklerine sahip olan türlerini ele almak gerekir.

Türleri

Orbitaller

Kuantum sayıları l = 0 ve ml = 0 (radyal ve açısal bileşenlerine ek olarak) küresel şekle sahip bir yörüngeyi tanımlar. Bu, ilk görüntünün yörünge piramidinin başında olanıdır. Ayrıca, radyal düğümlerin görüntüsünde görülebileceği gibi, 4s, 5s ve 6s orbitallerinin üç, dört ve beş düğüme sahip olması beklenebilir.

Simetrik olmaları ile karakterize edilirler ve elektronları daha etkili bir nükleer yük yaşarlar. Bunun nedeni, elektronlarının iç kabuklara nüfuz edebilmesi ve çekirdeğe çok yakın havada asılı kalabilmesidir, bu da üzerlerinde pozitif bir çekim yapar.

Bu nedenle, bir 3s elektronunun çekirdeğe yaklaşarak 2s ve 1s yörüngesine girme olasılığı vardır. Bu gerçek, sp hibrid orbitalleri olan bir atomun sp ³ hibridizasyonuna göre neden daha elektronegatif olduğunu (komşu atomlardan elektronik yoğunluğu çekme eğiliminde) açıklar .

Bu nedenle, çekirdek yükünü en çok deneyimleyen ve enerjisel olarak daha kararlı olan, orbitallerdeki elektronlardır. Birlikte, diğer alt seviyelerdeki veya orbitallerdeki elektronlar üzerinde koruyucu bir etki uygularlar; yani, en dıştaki elektronların deneyimlediği gerçek nükleer yükü Z azaltırlar.

Orbitaller p

Kaynak: Wikipedia aracılığıyla David Manthey

P orbitalleri l = 1 kuantum numaralarına ve ml = -1, 0, +1 değerlerine sahiptir. Yani, bu orbitallerdeki bir elektron, sarı dambıl olarak gösterilen üç yön alabilir (yukarıdaki resme göre).

Her bir dambıl Kartezyen x, y ve z ekseni boyunca yerleştirildiğini unutmayın. Bu nedenle, x ekseni üzerinde bulunan p orbitali p _x olarak gösterilir ; y, p _y eksenindeki ; ve xy düzlemine dik, yani z eksenini gösteriyorsa, p _z'dir .

Tüm orbitaller birbirine diktir, yani 90º'lik bir açı oluştururlar. Benzer şekilde, açısal fonksiyon çekirdekte (Kartezyen ekseninin başlangıcı) kaybolur ve sadece elektronu lobların içinde bulma olasılığı vardır (elektron yoğunluğu radyal fonksiyona bağlıdır).

Zayıf ekranlama etkisi

Bu yörüngelerdeki elektronlar iç kabuklara orbitaller kadar kolay giremezler. Şekillerini karşılaştırdığımızda, p orbitallerinin çekirdeğe daha yakın olduğu görülmektedir; ancak ns elektronları çekirdek çevresinde daha sık bulunur.

Yukarıdakilerin sonucu nedir? Bir np elektronunun daha düşük bir etkili nükleer yüke maruz kaldığı. Ayrıca, ikincisi, s orbitallerinin ekranlama etkisi ile daha da azaltılır. Bu, örneğin, sp ³ hibrit orbitalleri olan bir atomun neden sp ² veya sp orbitalleri olan bir atomdan daha az elektronegatif olduğunu açıklar .

Her dambılin açısal bir düğüm düzlemine sahip olduğunu, ancak radyal düğümleri olmadığını (yalnızca 2p orbitalleri) not etmek de önemlidir. Yani, eğer dilimlenmiş olsaydı, içinde 2s yörüngesinde olduğu gibi katman olmazdı; ancak 3p yörüngesinden itibaren radyal düğümler gözlenmeye başlayacaktı.

Bu açısal düğümler, zayıf bir koruma etkisi yaşayan en dıştaki elektronlardan sorumludur. Örneğin, 2s elektronları, 2p orbitallerindekileri, 3s orbitalindekileri 2p elektronlarından daha iyi korur.

Px, Py ve Pz

Ml değerleri -1, 0 ve +1 olduğundan, her biri bir Px, Py veya Pz orbitalini temsil eder. Toplamda altı elektron barındırabilirler (her yörünge için iki tane). Bu gerçek, elektronik konfigürasyonu, periyodik tabloyu ve sözde p-bloğu oluşturan öğeleri anlamak için çok önemlidir.

Orbitaller d

Kaynak: Hanilakkis0528, Wikimedia Commons'tan

D orbitalleri l = 2 ve ml = -2, -1, 0, +1, +2 değerlerine sahiptir. Bu nedenle, toplamda on elektron tutabilen beş yörünge vardır. D orbitallerinin beş açısal işlevi yukarıdaki resimde gösterilmektedir.

İlki, 3B orbitaller, radyal düğümlerden yoksundur, ancak d _z2 yörüngesi dışındaki tüm diğerlerinin iki düğüm düzlemi vardır; görüntünün düzlemleri değil, çünkü bunlar yalnızca yonca yaprağı biçimli turuncu lobların hangi eksenlerde konumlandığını gösterir. İki düğüm düzlemi, gri düzleme dik olarak ikiye ayıranlardır.

Şekilleri, onları etkili nükleer yükü korumada daha az etkili hale getiriyor. Neden? Çünkü çekirdeğin dış elektronları çekebileceği daha fazla düğüme sahipler.

Bu nedenle, tüm d orbitalleri, bir enerji seviyesinden diğerine atomik yarıçapta daha az belirgin bir artışa katkıda bulunur.

Orbitaller f

Kaynak: Geek3, Wikimedia Commons'tan

Son olarak, f orbitalleri l = 3 ve ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 değerlerine sahip kuantum numaralarına sahiptir. Toplam on dört elektron için yedi f orbital vardır. Bu orbitaller, yüzeysel olarak 4f olarak sembolize edilen 6. periyottan itibaren kullanılabilir hale gelir.

Açısal işlevlerin her biri, karmaşık şekillere ve birkaç düğüm düzlemine sahip lobları temsil eder. Bu nedenle, dış elektronları daha da az korurlar ve bu fenomen lantanit kasılması olarak bilinen şeyi açıklar.

Bu nedenle, ağır atomlar için atom yarıçaplarında bir seviye n'den diğerine n + 1'e (örneğin 6n'den 7n'ye) belirgin bir varyasyon yoktur. Bugüne kadar, 5f orbitalleri, doğal veya yapay atomlarda en son bulunanlardır.

Bütün bunlar akılda tutularak, yörünge ve yörünge olarak bilinen şey arasında bir uçurum açılır. Metinsel olarak benzer olsalar da, gerçekte çok farklılar.

Atomik yörünge kavramı ve yörünge yaklaşımı, kimyasal bağı ve moleküler yapıyı şu veya bu şekilde nasıl etkileyebileceğini açıklamayı mümkün kılmıştır.

Referanslar

1. Shiver ve Atkins. (2008). İnorganik kimya. (Dördüncü baskı, Sf. 13-8). Mc Graw Hill.
2. Harry B. Gray. (1965). Elektronlar ve Kimyasal Bağlar. WA Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube. (Sf). Atomik orbitaller ve kuantum sayıları. Quimitube.com'dan kurtarıldı
4. Nave CR (2016). Elektron Orbitallerini Görselleştirme. Kurtarıldı: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Atomik Orbitaller. Kurtarıldı: chemguide.co.uk
6. Kuantum masalları. (26 Ağustos 2011). Atomik yörüngeler, bir lise yalanı. Kurtarıldı: cuentos-cuanticos.com