בכימיה ובפיזיקה, אורביטלים אטומיים הם פונקציה הנקראת פונקציית גל המתארת את התכונות האופייניות של לא יותר משני אלקטרונים בקרבת גרעין אטום או מערכת גרעינים, כמו במולקולה. מסלול מתואר לעתים קרובות כאזור תלת מימדי שבתוכו יש סיכוי של 95 אחוז למצוא אלקטרון.
אורביטלים ומסלולים
כאשר כוכב לכת נע סביב השמש, הוא עוקב אחר נתיב הנקרא מסלול. באופן דומה, אטום יכול להיות מיוצג כאלקטרונים שמסתובבים במסלולים סביב הגרעין. למעשה, הדברים שונים, והאלקטרונים נמצאים באזורים בחלל הידועים כאורביטלים אטומיים. הכימיה מסתפקת במודל פשוט של האטום לחישוב משוואת גל שרדינגר ובהתאם, לקבוע את המצבים האפשריים של האלקטרון.
מסלולים ואורביטלים נשמעים דומים, אבל יש להם משמעויות שונות לחלוטין. חשוב ביותר להבין את ההבדל ביניהם.
אי אפשר להציג מסלולים
כדי לשרטט את המסלול של משהו, אתה צריך לדעת בדיוק היכן נמצא האובייקטנמצא, ויוכל לקבוע היכן הוא יהיה בעוד רגע. זה בלתי אפשרי עבור אלקטרון.
לפי עקרון אי הוודאות של הייזנברג, אי אפשר לדעת בדיוק היכן נמצא חלקיק כרגע ואיפה הוא יהיה אחר כך. (למעשה, העיקרון אומר שאי אפשר לקבוע בו זמנית ובדיוק מוחלט את המומנטום והתנופה שלו).
לכן, אי אפשר לבנות מסלול של האלקטרון סביב הגרעין. האם זו בעיה גדולה? לא. אם משהו אינו אפשרי, יש לקבל אותו ולמצוא דרכים לעקוף אותו.
אלקטרון מימן – 1s-אורביטל
נניח שיש אטום מימן אחד ובנקודת זמן מסוימת מיקומו של אלקטרון אחד מוטבע בצורה גרפית. זמן קצר לאחר מכן, ההליך חוזר על עצמו והצופה מגלה שהחלקיק נמצא במיקום חדש. לא ידוע איך היא הגיעה מהמקום הראשון למקום השני.
אם תמשיך בדרך זו, תיצור בהדרגה מעין מפה תלת-ממדית של המקום בו סביר להניח שהחלקיק יהיה.
במקרה של אטום המימן, האלקטרון יכול להיות בכל מקום בתוך החלל הכדורי המקיף את הגרעין. התרשים מציג חתך של המרחב הכדורי הזה.
95% מהמקרים (או כל אחוז אחר, מכיוון שרק גודלו של היקום יכול לספק וודאות של מאה אחוז) האלקטרון יהיה באזור די קל להגדיר של החלל, קרוב מספיק לגרעין. אזור כזה נקרא אורביטל. אורביטלים אטומיים הםאזורים במרחב שבהם קיים אלקטרון.
מה הוא עושה שם? אנחנו לא יודעים, אנחנו לא יכולים לדעת, ולכן אנחנו פשוט מתעלמים מהבעיה הזו! אנחנו יכולים רק לומר שאם אלקטרון נמצא במסלול מסוים, אז תהיה לו אנרגיה מסוימת.
לכל מסלול יש שם.
החלל שתופס אלקטרון המימן נקרא מסלול 1s. המשמעות של היחידה כאן היא שהחלקיק נמצא ברמת האנרגיה הקרובה ביותר לגרעין. S מספר על צורת המסלול. S-orbitals הם סימטריים כדוריים סביב הגרעין - לפחות כמו כדור חלול מחומר צפוף למדי עם גרעין במרכזו.
2s
המסלול הבא הוא 2 שניות. זה דומה ל-1s, אלא שהמיקום הסביר של האלקטרון הוא רחוק יותר מהגרעין. זהו מסלול של רמת האנרגיה השנייה.
אם תסתכלו היטב, תבחינו שקרוב יותר לגרעין ישנו אזור נוסף בעל צפיפות אלקטרונים מעט גבוהה יותר ("צפיפות" היא דרך נוספת לציין את ההסתברות שחלקיק זה נמצא במקום מסוים).
2s אלקטרונים (ו-3s, 4s וכו') מבלים חלק מזמנם הרבה יותר קרוב למרכז האטום ממה שאפשר לצפות. התוצאה של זה היא ירידה קלה באנרגיה שלהם ב-s-orbitals. ככל שהאלקטרונים מתקרבים יותר לגרעין, האנרגיה שלהם יורדת.
3s-, 4s-אורביטלים (וכן הלאה) הולכים ומתרחקים ממרכז האטום.
P-אורביטלים
לא כל האלקטרונים חיים באורביטלים של (למעשה, מעט מאוד מהם חיים). ברמת האנרגיה הראשונה, המיקום הזמין היחיד עבורם הוא 1s, בשנייה, 2s ו-2p נוספים.
אורביטלים מסוג זה דומים יותר לשני בלונים זהים, המחוברים זה לזה בליבה. התרשים מציג חתך של אזור תלת מימדי של החלל. שוב, האורביטל מציג רק את השטח עם סיכוי של 95 אחוז למצוא אלקטרון בודד.
אם נדמיין מישור אופקי שעובר דרך הגרעין בצורה כזו שחלק אחד של המסלול יהיה מעל המישור והשני מתחתיו, אז יש הסתברות אפסית למצוא אלקטרון במישור הזה. אז איך חלקיק עובר מחלק אחד לאחר אם הוא לעולם לא יכול לעבור דרך מישור הגרעין? זה נובע מאופי הגל שלו.
בניגוד ל-s-, ל-p-Orbital יש כיווניות מסוימת.
בכל רמת אנרגיה, אתה יכול לקבל שלושה p-אורביטלים שווים לחלוטין הממוקמים בזוויות ישרות זה לזה. הם מסומנים באופן שרירותי בסמלים px, py ו-pz. זה מקובל מטעמי נוחות - הכוונה בכיווני X, Y או Z משתנה כל הזמן, מכיוון שהאטום נע באקראי במרחב.
P-אורביטלים ברמת האנרגיה השנייה נקראים 2px, 2py ו-2pz. ישנם אורביטלים דומים באורביטלים הבאים - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz וכן הלאה.
לכל הרמות, מלבד הראשונה, יש p-אורביטלים. ברמות גבוהות יותר, "עלי הכותרת" מוארכים יותר, כאשר המיקום הסביר ביותר של האלקטרון נמצא במרחק גדול יותר מהגרעין.
d- ו-f-אורביטלים
בנוסף לאורביטלים s ו-p, קיימות שתי קבוצות נוספות של אורביטלים זמינות לאלקטרונים ברמות אנרגיה גבוהות יותר. בשלישי, עשויים להיות חמישה ד-אורביטלים (עם צורות ושמות מורכבים), וכן 3s- ו-3p-אורביטלים (3px, 3py, 3pz). יש כאן בסך הכל 9.
ברביעי, יחד עם 4s ו-4p ו-4d, מופיעים 7 אורביטלים F נוספים - 16 בסך הכל, זמינים גם בכל רמות האנרגיה הגבוהות יותר.
מיקום אלקטרונים באורביטלים
ניתן לחשוב על אטום כבית מפואר מאוד (כמו פירמידה הפוכה) עם גרעין המתגורר בקומת הקרקע וחדרים שונים בקומות העליונות תפוסים על ידי אלקטרונים:
- יש רק חדר אחד בקומה הראשונה (1s);
- בחדר השני יש כבר 4 (2px, 2py ו-2pz);
- בקומה השלישית יש 9 חדרים (אחד 3s, שלושה 3p וחמישה אורביטלים תלת מימדיים) וכן הלאה.
אבל החדרים לא גדולים במיוחד. כל אחד מהם יכול להחזיק רק 2 אלקטרונים.
דרך נוחה להראות את המסלולים האטומיים שבהם נמצאים החלקיקים האלה היא לצייר "תאים קוונטיים".
תאים קוונטיים
גרעיניניתן לייצג אורביטלים כריבועים כאשר האלקטרונים שבהם מוצגים כחצים. לעתים קרובות משתמשים בחצים למעלה ולמטה כדי להראות שחלקיקים אלה שונים.
הצורך באלקטרונים שונים באטום הוא תוצאה של תורת הקוונטים. אם הם נמצאים באורביטלים שונים, זה בסדר, אבל אם הם נמצאים באותו מסלול, אז חייב להיות הבדל דק ביניהם. תורת הקוונטים מעניקה לחלקיקים תכונה הנקראת "ספין", שאליו מתייחס כיוון החצים.
המסלול
1s עם שני אלקטרונים מוצג כריבוע עם שני חצים המצביעים למעלה ולמטה, אך ניתן לכתוב אותו אפילו מהר יותר כ-1s2. כתוב "אחד שניים", לא "אחת בריבוע". אין לבלבל את המספרים בסימון אלה. הראשון הוא רמת האנרגיה, והשני הוא מספר החלקיקים לכל מסלול.
Hybridization
בכימיה, הכלאה היא הרעיון של ערבוב אורביטלים אטומיים לתוך אורביטלים היברידיים חדשים המסוגלים לזווג אלקטרונים ליצירת קשרים כימיים. הכלאת Sp מסבירה את הקשרים הכימיים של תרכובות כגון אלקנים. במודל זה, האורביטלים האטומיים של פחמן 2s ו-2p מתערבבים ליצירת שני אורביטלים sp. אצטילן C2H2 מורכב מהסתבכות sp-sp של שני אטומי פחמן עם היווצרות של קשר σ ושני קשרי π נוספים.
אורביטלים אטומיים של פחמן בפחמימנים רוויים ישsp3-אורביטלים היברידיים זהים בצורת משקולת, שחלק אחד שלה גדול בהרבה מהשני.
Sp2-הכלאה דומה לקודמים ונוצרת על ידי ערבוב s אחד ושני p-אורביטלים. לדוגמה, במולקולת אתילן נוצרים שלושה sp2- ו-p-אורביטל אחד.
אורביטלים אטומיים: עקרון המילוי
לדמות מעברים מאטום אחד לאחר בטבלה המחזורית של יסודות כימיים, אפשר לבסס את המבנה האלקטרוני של האטום הבא על ידי הצבת חלקיק נוסף במסלול הזמין הבא.
אלקטרונים, לפני מילוי רמות האנרגיה הגבוהות יותר, תופסים את הנמוכים יותר הממוקמים קרוב יותר לגרעין. היכן שיש בחירה, הם ממלאים את האורביטלים בנפרד.
סדר המילוי הזה ידוע בתור הכלל של האנד. זה חל רק כאשר לאורביטלים האטומיים יש אנרגיות שוות, וגם עוזר למזער את הדחייה בין אלקטרונים, מה שהופך את האטום ליציב יותר.
שימו לב שלאורביטל s יש תמיד מעט פחות אנרגיה מאורביטל p באותה רמת אנרגיה, כך שהראשון תמיד מתמלא לפני השני.
מה שבאמת מוזר הוא המיקום של האורביטלים התלת-ממדיים. הם ברמה גבוהה יותר מה-4s, ולכן האורביטלים של 4s מתמלאים ראשונים, ואחריהם כל האורביטלים של 3d ו-4p.
אותו בלבול מתרחש ברמות גבוהות יותר עם יותר אריגה ביניהן. לכן, למשל, האורביטלים האטומיים 4f אינם מתמלאים עד שכל המקומות על6 שניות.
הכרת סדר המילוי חשובה להבנה כיצד לתאר מבנים אלקטרוניים.
