วงโคจรของอะตอม: สิ่งที่ประกอบด้วยและประเภท - เคมี

ปรมาณู orbitalsเป็นพื้นที่เหล่านั้นของอะตอมที่กำหนดโดยฟังก์ชั่นคลื่นอิเล็กตรอน ฟังก์ชันคลื่นคือนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่ได้จากการแก้สมการชเรอดิงเงอร์ สิ่งเหล่านี้อธิบายสถานะพลังงานของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่าในอวกาศตลอดจนความน่าจะเป็นที่จะพบ

แนวคิดทางกายภาพนี้นำไปใช้โดยนักเคมีเพื่อทำความเข้าใจพันธะและตารางธาตุถือว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นและอนุภาคในเวลาเดียวกัน ดังนั้นภาพของระบบสุริยะจึงถูกทิ้งโดยที่อิเล็กตรอนคือดาวเคราะห์ที่หมุนในวงโคจรรอบนิวเคลียสหรือดวงอาทิตย์

ที่มา: โดย haade ผ่าน Wikimedia Commons

การแสดงภาพที่ล้าสมัยนี้มีประโยชน์เมื่อแสดงระดับพลังงานของอะตอม ตัวอย่างเช่นวงกลมที่ล้อมรอบด้วยวงแหวนศูนย์กลางซึ่งเป็นตัวแทนของวงโคจรและอิเล็กตรอนแบบคงที่ อันที่จริงนี่คือภาพที่อะตอมได้รับการแนะนำให้รู้จักกับเด็กและเยาวชน

อย่างไรก็ตามโครงสร้างอะตอมที่แท้จริงนั้นซับซ้อนเกินกว่าจะมีภาพคร่าวๆของมันได้

เมื่อพิจารณาจากนั้นอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคคลื่นและการแก้สมการเชิงอนุพันธ์Schrödingerสำหรับอะตอมของไฮโดรเจน (ระบบที่ง่ายที่สุดของทั้งหมด) ได้ตัวเลขควอนตัมที่มีชื่อเสียง

ตัวเลขเหล่านี้บ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถครอบครองสถานที่ใด ๆ ในอะตอมได้ แต่มีเพียงอิเล็กตรอนที่ปฏิบัติตามระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องและเชิงปริมาณ นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ข้างต้นเรียกว่าฟังก์ชันคลื่น

ดังนั้นจากอะตอมของไฮโดรเจนจึงมีการประมาณสถานะพลังงานที่ควบคุมโดยตัวเลขควอนตัม สถานะพลังงานเหล่านี้ถูกเรียกว่าออร์บิทัลอะตอม

แต่สิ่งเหล่านี้อธิบายเฉพาะที่อยู่ของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน สำหรับอะตอมอื่น ๆ โพลีอิเล็กโทรนิกส์ตั้งแต่ฮีเลียมเป็นต้นไปมีการสร้างการประมาณวงโคจร ทำไม? เนื่องจากการแก้สมการชเรอดิงเงอร์สำหรับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนตั้งแต่สองตัวขึ้นไปมีความซับซ้อนมาก (แม้จะใช้เทคโนโลยีปัจจุบันก็ตาม)

Orbitals อะตอมคืออะไร?

ออร์บิทัลอะตอมเป็นฟังก์ชันคลื่นที่ประกอบด้วยสององค์ประกอบ: หนึ่งรัศมีและหนึ่งเชิงมุม นิพจน์ทางคณิตศาสตร์นี้เขียนเป็น:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

แม้ว่าในตอนแรกอาจดูซับซ้อน แต่โปรดทราบว่าตัวเลขควอนตัม n, l และ ml จะแสดงเป็นตัวอักษรขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าตัวเลขทั้งสามนี้อธิบายถึงวงโคจร R _nl (r) หรือที่รู้จักกันดีในชื่อฟังก์ชันเรเดียลขึ้นอยู่กับ nyl; ในขณะที่ Y _lml (θϕ) ฟังก์ชันเชิงมุมขึ้นอยู่กับ l และ ml

ในสมการทางคณิตศาสตร์ยังมีตัวแปร r ระยะห่างจากนิวเคลียสและθและ ϕ ผลลัพธ์ของสมการชุดนี้ทั้งหมดเป็นการแสดงทางกายภาพของวงโคจร อันไหน? ภาพที่เห็นในภาพด้านบน มีการแสดงชุดของวงโคจรซึ่งจะอธิบายในส่วนต่อไปนี้

รูปร่างและการออกแบบ (ไม่ใช่สี) มาจากการสร้างกราฟฟังก์ชันของคลื่นและส่วนประกอบตามแนวรัศมีและเชิงมุมในอวกาศ

ฟังก์ชันคลื่นเรเดียล

ดังที่เห็นในสมการ R _nl (r) ขึ้นอยู่กับทั้ง n และ l ดังนั้นฟังก์ชันคลื่นเรเดียลจึงอธิบายตามระดับพลังงานหลักและระดับย่อยของมัน

หากสามารถถ่ายภาพอิเล็กตรอนได้โดยไม่คำนึงถึงทิศทางของมันก็จะสังเกตเห็นจุดเล็ก ๆ ที่ไม่สิ้นสุด จากนั้นการถ่ายภาพนับล้านภาพอาจมีรายละเอียดว่าจุดที่คลาวด์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตามฟังก์ชันของระยะทางไปยังแกนกลาง

ด้วยวิธีนี้สามารถเปรียบเทียบความหนาแน่นของเมฆในระยะไกลและใกล้แกนกลางได้ หากการดำเนินการเดิมซ้ำ ๆ แต่มีระดับพลังงานอื่นหรือระดับย่อยเมฆอื่นจะก่อตัวขึ้นซึ่งล้อมรอบก่อนหน้านี้ ระหว่างทั้งสองมีช่องว่างเล็ก ๆ ที่อิเล็กตรอนไม่เคยอยู่ นี่คือสิ่งที่เรียกว่าโหนดเรเดียล

นอกจากนี้ในเมฆยังมีบริเวณที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงกว่าและต่ำกว่า เมื่อพวกมันมีขนาดใหญ่ขึ้นและไกลออกไปจากนิวเคลียสพวกมันก็มีโหนดรัศมีมากขึ้น และยิ่งไปกว่านั้นระยะทาง r ที่อิเล็กตรอนหมุนรอบตัวบ่อยขึ้นและมีแนวโน้มที่จะพบมากขึ้น

ฟังก์ชั่นคลื่นมุม

อีกครั้งเป็นที่ทราบกันดีจากสมการว่า Y _lml (θϕ) อธิบายโดยตัวเลขควอนตัม l และ ml เป็นหลัก คราวนี้มันมีส่วนร่วมในจำนวนควอนตัมแม่เหล็กดังนั้นจึงมีการกำหนดทิศทางของอิเล็กตรอนในอวกาศ และทิศทางนี้สามารถสร้างกราฟได้จากสมการทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับตัวแปรθและ ϕ

ตอนนี้เราไม่ได้ดำเนินการถ่ายภาพ แต่จะบันทึกวิดีโอเกี่ยวกับวิถีของอิเล็กตรอนในอะตอม ตรงกันข้ามกับการทดลองก่อนหน้านี้ไม่ทราบแน่ชัดว่าอิเล็กตรอนอยู่ที่ใด แต่จะไปที่ใด

ในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่มันจะอธิบายถึงเมฆที่มีความหมายมากขึ้น ในความเป็นจริงเป็นรูปทรงกลมหรือรูปที่มีแฉกเหมือนที่เห็นในภาพ ประเภทของตัวเลขและทิศทางในอวกาศอธิบายโดย l และ ml

มีบริเวณใกล้กับนิวเคลียสซึ่งอิเล็กตรอนไม่เคลื่อนผ่านและตัวเลขจะหายไป พื้นที่ดังกล่าวเรียกว่าโหนดมุม

ตัวอย่างเช่นถ้าคุณดูวงโคจรทรงกลมแรกคุณจะสรุปได้อย่างรวดเร็วว่ามันสมมาตรในทุกทิศทาง อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่กรณีของวงโคจรอื่น ๆ ซึ่งรูปร่างเผยให้เห็นพื้นที่ว่าง สิ่งเหล่านี้สามารถสังเกตได้ที่จุดกำเนิดของระนาบคาร์ทีเซียนและในระนาบจินตภาพระหว่างแฉก

ความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนและพันธะเคมี

ที่มา: โดยมูลนิธิ CK-12 (ไฟล์: High School Chemistry.pdf, หน้า 265), Wikimedia Commons

ในการพิจารณาความน่าจะเป็นที่แท้จริงของการค้นหาอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต้องพิจารณาฟังก์ชันสองอย่างคือรัศมีและเชิงมุม ดังนั้นจึงไม่เพียงพอที่จะถือว่าองค์ประกอบเชิงมุมนั่นคือรูปร่างที่แสดงให้เห็นของวงโคจร แต่ยังรวมถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะห่างจากนิวเคลียสด้วย

อย่างไรก็ตามเนื่องจากทิศทาง (มล.) แยกวงโคจรหนึ่งออกจากอีกวงหนึ่งจึงสามารถใช้งานได้จริง (แม้ว่าอาจจะไม่ถูกต้องทั้งหมด) ที่จะพิจารณาเฉพาะรูปร่างของออร์บิทัล ด้วยวิธีนี้คำอธิบายของพันธะเคมีอธิบายได้จากการทับซ้อนกันของตัวเลขเหล่านี้

ตัวอย่างเช่นด้านบนเป็นภาพเปรียบเทียบของวงโคจรสามวง: 1s, 2s และ 3s สังเกตโหนดรัศมีภายใน ออร์บิทัล 1s ไม่มีโหนดในขณะที่อีกสองโหนดมีหนึ่งและสองโหนด

เมื่อพิจารณาพันธะเคมีมันง่ายกว่าที่จะจำเฉพาะรูปทรงกลมของออร์บิทัลเหล่านี้ ด้วยวิธีนี้วงโคจร ns จะเข้าใกล้อีกวงหนึ่งและที่ระยะ r อิเล็กตรอนจะสร้างพันธะกับอิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียง จากที่นี่มีนักทฤษฎีหลายคนเกิดขึ้น (TEV และ TOM) ที่อธิบายลิงค์นี้

สัญลักษณ์เหล่านี้เป็นอย่างไร?

orbitals อะตอมเป็นสัญลักษณ์อย่างชัดเจนว่า: NL มล.

ตัวเลขควอนตัมใช้ค่าจำนวนเต็ม 0, 1, 2 เป็นต้น แต่เพื่อเป็นสัญลักษณ์ของวงโคจรจะมีเพียงค่าตัวเลขเท่านั้นที่เหลือ n ในขณะที่สำหรับ l จำนวนเต็มจะถูกแทนที่ด้วยตัวอักษรที่เกี่ยวข้อง (s, p, d, f); และสำหรับ ml ตัวแปรหรือสูตรทางคณิตศาสตร์ (ยกเว้น ml = 0)

ตัวอย่างเช่นสำหรับ 1s orbital: n = 1, s = 0 และ ml = 0 เช่นเดียวกับวงโคจร ns ทั้งหมด (2s, 3s, 4s ฯลฯ )

เพื่อเป็นสัญลักษณ์ของวงโคจรที่เหลือจำเป็นต้องระบุประเภทของพวกมันซึ่งแต่ละประเภทมีระดับพลังงานและลักษณะเฉพาะของตัวเอง

ประเภท

วงโคจร s

เลขควอนตัม l = 0 และ ml = 0 (นอกเหนือจากส่วนประกอบในแนวรัศมีและเชิงมุม) อธิบายถึงวงโคจรที่มีรูปร่างเป็นทรงกลม นี่คือสิ่งที่เป็นหัวของปิรามิดออร์บิทัลของภาพเริ่มต้น นอกจากนี้ดังที่เห็นได้จากภาพของโหนดเรเดียลคาดว่าวงโคจร 4s, 5s และ 6s จะมีสามสี่และห้าโหนด

พวกมันมีลักษณะสมมาตรและอิเล็กตรอนสัมผัสกับประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า เนื่องจากอิเล็กตรอนของมันสามารถทะลุผ่านเปลือกชั้นในและเลื่อนเข้ามาใกล้นิวเคลียสมากซึ่งทำให้เกิดแรงดึงดูดเชิงบวกกับพวกมัน

ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอน 3s สามารถทะลุผ่านวงโคจร 2s และ 1s เข้าใกล้นิวเคลียสได้ ความจริงเรื่องนี้อธิบายได้ว่าทำไมอะตอมที่มีออร์บิทั SP ไฮบริดเป็นขั้วลบมากขึ้น (มีแนวโน้มมากขึ้นที่จะดึงดูดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจากอะตอมใกล้เคียง) มากกว่าหนึ่งเดียวกับ SP ³ผสมพันธุ์

ดังนั้นอิเล็กตรอนในวงโคจร s จึงเป็นอิเล็กตรอนที่สัมผัสกับนิวเคลียสได้มากที่สุดและมีความเสถียรมากขึ้น พวกมันมีผลต่อการป้องกันอิเล็กตรอนในระดับย่อยหรือวงโคจรอื่น ๆ นั่นคือพวกมันลดประจุนิวเคลียร์จริง Z ที่อิเล็กตรอนวงนอกสุดได้รับ

วงโคจรน

ที่มา: David Manthey ผ่าน Wikipedia

p วงโคจรมีเลขควอนตัม l = 1 และมีค่า ml = -1, 0, +1 นั่นคืออิเล็กตรอนในวงโคจรเหล่านี้สามารถใช้ทิศทางได้สามทิศทางซึ่งแสดงเป็นดัมเบลสีเหลือง (ตามภาพด้านบน)

สังเกตว่าดัมเบลแต่ละอันตั้งอยู่ตามแกนคาร์ทีเซียน x, y และ z ดังนั้น p ออร์บิทัลที่อยู่บนแกน x จึงแสดงเป็น p _x ; หนึ่งบนแกน y, p _y ; และถ้ามันชี้ให้ตั้งฉากกับระนาบ xy, ที่อยู่บนแกน Z แล้วมันเป็นพีZ

วงโคจรทั้งหมดตั้งฉากซึ่งกันและกันนั่นคือพวกมันก่อตัวเป็นมุม90º นอกจากนี้ฟังก์ชันเชิงมุมจะหายไปในนิวเคลียส (ต้นกำเนิดของแกนคาร์ทีเซียน) และมีเพียงความน่าจะเป็นที่จะพบอิเล็กตรอนภายในแฉก (ซึ่งความหนาแน่นของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับฟังก์ชันรัศมี)

ผลการป้องกันไม่ดี

อิเล็กตรอนในวงโคจรเหล่านี้ไม่สามารถทะลุผ่านเปลือกชั้นในได้ง่ายเหมือนกับวงโคจรของ s เมื่อเปรียบเทียบรูปร่างของพวกมันวงโคจรของ p ดูเหมือนจะอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น อย่างไรก็ตามพบอิเล็กตรอน ns บ่อยกว่ารอบนิวเคลียส

ผลที่ตามมาข้างต้นคืออะไร? อิเล็กตรอน np สัมผัสกับประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่า นอกจากนี้ส่วนหลังยังลดลงอีกจากผลการป้องกันของวงโคจร ตัวอย่างเช่นทำไมอะตอมที่มี sp ³ไฮบริดออร์บิทัลจึงมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยกว่าอะตอมที่มี sp ²หรือ sp ออร์บิทัล

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตด้วยว่าดัมเบลล์แต่ละตัวมีระนาบโหนดเชิงมุม แต่ไม่มีโหนดรัศมี (วงโคจร 2p เท่านั้น) นั่นคือถ้ามันถูกหั่นบาง ๆ จะไม่มีชั้นอยู่ข้างในเหมือนกับวงโคจร 2 วินาที แต่ตั้งแต่ออร์บิทัล 3p เป็นต้นไปจะเริ่มสังเกตเห็นโหนดเรเดียล

โหนดเชิงมุมเหล่านี้รับผิดชอบต่ออิเล็กตรอนวงนอกสุดที่ได้รับผลการป้องกันที่ไม่ดี ตัวอย่างเช่นอิเล็กตรอน 2p จะป้องกันสิ่งเหล่านั้นในวงโคจร 2p ได้ดีกว่าอิเล็กตรอน 2p จะป้องกันอิเล็กตรอนในวงโคจร 3s

px, Py และ Pz

เนื่องจากค่าของ ml คือ -1, 0 และ +1 ซึ่งแต่ละค่าจะแสดงถึงการโคจรของ px, Py หรือ Pz โดยรวมแล้วพวกมันสามารถรองรับอิเล็กตรอนได้หกตัว (สองตัวสำหรับแต่ละออร์บิทัล) ข้อเท็จจริงนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ตารางธาตุและองค์ประกอบที่ประกอบกันเป็น p-block ที่เรียกว่า

วงโคจรง

ที่มา: โดย Hanilakkis0528 จาก Wikimedia Commons

d ออร์บิทัลมีค่า l = 2 และ ml = -2, -1, 0, +1, +2 ดังนั้นจึงมีวงโคจรห้าวงที่สามารถจุอิเล็กตรอนได้ทั้งหมดสิบตัว ฟังก์ชันเชิงมุมทั้งห้าของวงโคจร d แสดงอยู่ในภาพด้านบน

อันแรกออร์บิทัล 3 มิติไม่มีโหนดเรเดียล แต่วงโคจรอื่น ๆ ทั้งหมดยกเว้น d _z2ออร์บิทัลมีระนาบสำคัญสองอัน ไม่ใช่ระนาบของภาพเนื่องจากสิ่งเหล่านี้แสดงเฉพาะแกนที่มีแฉกสีส้มที่มีรูปร่างของใบโคลเวอร์อยู่ ระนาบโหนกทั้งสองคือระนาบที่แบ่งเป็นสองส่วนตั้งฉากกับระนาบสีเทา

รูปร่างของพวกมันทำให้พวกมันมีประสิทธิภาพน้อยลงในการป้องกันประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ ทำไม? เนื่องจากมีโหนดมากกว่าซึ่งนิวเคลียสสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนจากภายนอกได้

ดังนั้นวงโคจร d ทั้งหมดจึงทำให้รัศมีอะตอมเพิ่มขึ้นอย่างเด่นชัดน้อยลงจากระดับพลังงานหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง

วงโคจรฉ

ที่มา: โดย Geek3 จาก Wikimedia Commons

ในที่สุดวงโคจร f จะมีตัวเลขควอนตัมที่มีค่า l = 3 และ ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 มีวงโคจร f เจ็ดตัวรวมเป็นสิบสี่อิเล็กตรอน ออร์บิทัลเหล่านี้มีให้ตั้งแต่ช่วงที่ 6 โดยมีสัญลักษณ์เป็น 4f

แต่ละฟังก์ชันเชิงมุมแสดงถึงแฉกที่มีรูปร่างสลับซับซ้อนและระนาบโหนกหลายอัน ดังนั้นพวกมันจึงป้องกันอิเล็กตรอนภายนอกแม้แต่น้อยและปรากฏการณ์นี้อธิบายถึงสิ่งที่เรียกว่าการหดตัวของแลนทาไนด์

ด้วยเหตุนี้สำหรับอะตอมหนักจึงไม่มีการแปรผันที่เด่นชัดในรัศมีอะตอมของพวกมันจากระดับหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง n + 1 (เช่น 6n ถึง 7n) จนถึงปัจจุบันวงโคจร 5f เป็นอะตอมสุดท้ายที่พบในอะตอมธรรมชาติหรือเทียม

เมื่อคำนึงถึงสิ่งเหล่านี้แล้วช่องว่างจะเปิดขึ้นระหว่างสิ่งที่เรียกว่าวงโคจรและวงโคจร แม้ว่าข้อความจะคล้ายกัน แต่ในความเป็นจริงแล้วมันต่างกันมาก

แนวคิดของการโคจรของอะตอมและการประมาณวงโคจรช่วยให้เราสามารถอธิบายพันธะเคมีได้และวิธีที่มันสามารถมีอิทธิพลต่อโครงสร้างโมเลกุลไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง

อ้างอิง

ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์สี่., หน้า 13-8). Mc Graw Hill
แฮร์รี่บีเกรย์ (1965) อิเล็กตรอนและพันธะเคมี. WA Benjamin, Inc. นิวยอร์ก
Quimitube (เอสเอฟ) วงโคจรของอะตอมและเลขควอนตัม สืบค้นจาก: quimitube.com
Nave CR (2016). การแสดงภาพวงโคจรของอิเล็กตรอน สืบค้นจาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
คลาร์กเจ. (2555). วงโคจรของอะตอม สืบค้นจาก: chemguide.co.uk
นิทานควอนตัม. (26 สิงหาคม 2554). วงโคจรของอะตอมเป็นเรื่องโกหกของโรงเรียนมัธยม สืบค้นจาก: cuentos-cuanticos.com

วงโคจรของอะตอม: สิ่งที่ประกอบด้วยและประเภท - เคมี - 2026