Các quỹ đạo nguyên tử trong những gì chúng bao gồm, cách chúng được tượng trưng và các loại

các quỹ đạo nguyên tử là những vùng của nguyên tử được xác định bởi hàm sóng cho electron. Hàm sóng là các biểu thức toán học thu được từ độ phân giải của phương trình Schrödinger. Chúng mô tả trạng thái năng lượng của một hoặc nhiều electron trong không gian, cũng như xác suất tìm thấy nó.

Khái niệm vật lý này, được các nhà hóa học áp dụng cho sự hiểu biết về liên kết và bảng tuần hoàn, coi electron là một sóng và một hạt cùng một lúc. Do đó, hình ảnh của hệ mặt trời bị loại bỏ, trong đó các electron là các hành tinh quay trong quỹ đạo xung quanh hạt nhân hoặc mặt trời.

Hình dung lỗi thời này là thực tế khi minh họa mức năng lượng của nguyên tử. Ví dụ: một vòng tròn được bao quanh bởi các vòng tròn đồng tâm đại diện cho các quỹ đạo và các electron tĩnh của chúng. Trên thực tế, đây là hình ảnh mà nguyên tử được giới thiệu cho trẻ em và thanh thiếu niên.

Tuy nhiên, cấu trúc nguyên tử thực sự quá phức tạp để thậm chí có một hình ảnh gần đúng về nó.

Khi đó, coi electron là hạt sóng và giải phương trình vi phân Schrödinger cho nguyên tử hydro (hệ đơn giản nhất trong tất cả), đã thu được các số lượng tử nổi tiếng.

Những con số này chỉ ra rằng các electron không thể chiếm bất kỳ vị trí nào của nguyên tử, mà chỉ những hạt tuân theo mức năng lượng kín đáo và lượng tử hóa. Biểu thức toán học ở trên được gọi là hàm sóng.

Do đó, từ nguyên tử hydro, một loạt các trạng thái năng lượng được điều chỉnh bởi số lượng tử đã được ước tính. Những trạng thái năng lượng này được đặt tên là quỹ đạo nguyên tử.

Nhưng, những điều này chỉ mô tả nơi ở của một electron trong nguyên tử hydro. Đối với các nguyên tử khác, đa điện tử, từ helium trở đi, một phép tính gần đúng quỹ đạo đã được thực hiện. Tại sao? Bởi vì độ phân giải của phương trình Schrödinger đối với các nguyên tử có hai hoặc nhiều electron là rất phức tạp (ngay cả với công nghệ hiện tại).

Chỉ số

• 1 quỹ đạo nguyên tử là gì?
  • 1.1 Hàm sóng xuyên tâm
  • 1.2 Hàm sóng góc
  • 1.3 Xác suất tìm thấy liên kết điện tử và hóa học
• 2 Chúng được tượng trưng như thế nào?
• 3 loại
  • 3.1 Quỹ đạo
  • 3.2 Quỹ đạo p
  • 3.3 Quỹ đạo d
  • 3,4 quỹ đạo
• 4 tài liệu tham khảo

Các quỹ đạo nguyên tử là gì?

Các quỹ đạo nguyên tử là các hàm sóng bao gồm hai thành phần: một hướng tâm và một góc. Biểu thức toán học này được viết là:

Ψ_nlml = R_nl(r) · Y_lml(θφ)

Mặc dù ban đầu có vẻ phức tạp, lưu ý rằng số lượng tử n, tôi và ml Chúng được chỉ định bằng các chữ cái nhỏ. Điều này có nghĩa là ba số này mô tả quỹ đạo. R_nl(r), được gọi là hàm radial, phụ thuộc vào n và tôi; trong khi Y_lml(θφ), chức năng góc, phụ thuộc vào tôi và ml.

Trong phương trình toán học cũng có các biến r, khoảng cách đến hạt nhân và và. Kết quả của tất cả các phương trình này là một biểu diễn vật lý của các quỹ đạo. Cái gì Một trong những hình ảnh trên. Có một loạt các quỹ đạo sẽ được giải thích trong các phần sau.

Hình dạng và thiết kế của nó (không phải màu sắc) đến từ âm mưu trong các chức năng sóng và các thành phần hướng tâm và góc của chúng.

Chức năng sóng xuyên tâm

Như đã thấy trong phương trình, R_nl(r) nó phụ thuộc rất nhiều vào n kể từ tôi. Sau đó, hàm sóng hướng tâm được mô tả bởi mức năng lượng chính và các mức phụ của nó.

Nếu một bức ảnh có thể được chụp bằng điện tử mà không tính đến hướng của nó, một điểm cực nhỏ có thể được quan sát. Sau đó, chụp hàng triệu bức ảnh, bạn có thể chi tiết cách đám mây điểm thay đổi dựa trên khoảng cách đến hạt nhân.

Theo cách này, mật độ của đám mây có thể được so sánh trong khoảng cách và độ gần của hạt nhân. Nếu hoạt động tương tự được lặp lại nhưng với mức năng lượng hoặc cấp phụ khác, một đám mây khác sẽ được hình thành bao quanh tầng trước đó. Giữa hai người có một không gian nhỏ nơi không bao giờ đặt electron; đây là những gì được gọi là nút xuyên tâm.

Ngoài ra, trong các đám mây có các vùng có mật độ điện tử cao hơn và thấp hơn. Khi chúng trở nên lớn hơn và di chuyển ra xa khỏi hạt nhân, chúng có nhiều nút xuyên tâm hơn; và cũng, một khoảng cách r nơi electron đi xung quanh thường xuyên hơn và có nhiều khả năng tìm thấy nó.

Hàm sóng góc

Một lần nữa, từ phương trình, người ta biết rằng Y_lml(θφ) chủ yếu được mô tả bằng số lượng tử tôi và ml. Lần này, nó tham gia vào số lượng tử từ tính, do đó, hướng của electron trong không gian được xác định; và địa chỉ này có thể được vẽ từ các phương trình toán học liên quan đến các biến và.

Bây giờ, chúng tôi không tiến hành chụp ảnh, mà là quay video về đường đi của electron trong nguyên tử. Không giống như thí nghiệm trước, không biết chính xác electron ở đâu, nhưng nó sẽ đi đâu.

Khi di chuyển, electron mô tả một đám mây xác định hơn; trong thực tế, một hình dạng hình cầu, hoặc một hình có thùy, giống như những hình nhìn thấy trong hình ảnh. Loại hình và hướng của chúng trong không gian được mô tả bởi tôi và ml.

Có những vùng, gần với hạt nhân, nơi electron không vận chuyển và hình vẽ biến mất. Những vùng như vậy được gọi là hạch góc.

Ví dụ, nếu quỹ đạo hình cầu đầu tiên được quan sát, nó nhanh chóng được kết luận rằng nó đối xứng theo mọi hướng; Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp với các quỹ đạo khác, có hình dạng tiết lộ khoảng trống. Chúng có thể được quan sát tại điểm gốc của mặt phẳng Cartesian và trong các mặt phẳng tưởng tượng giữa các thùy.

Xác suất tìm thấy liên kết điện tử và hóa học

Để xác định xác suất thực sự của việc tìm thấy một electron trong quỹ đạo, hai chức năng phải được xem xét: hướng tâm và góc. Do đó, không đủ để giả định thành phần góc, nghĩa là dạng minh họa của các quỹ đạo, mà cả mật độ điện tử của nó thay đổi như thế nào đối với khoảng cách của hạt nhân..

Tuy nhiên, vì các địa chỉ (ml) phân biệt quỹ đạo này với quỹ đạo khác, điều này là thực tế (mặc dù có lẽ không hoàn toàn chính xác) chỉ xem xét hình dạng của nó. Theo cách này, mô tả về liên kết hóa học được giải thích bằng sự chồng chéo của các hình này.

Ví dụ, hình ảnh so sánh của ba quỹ đạo được hiển thị ở trên: 1s, 2s và 3s. Chú ý các nút xuyên tâm của nó bên trong. Quỹ đạo 1s thiếu một nút, trong khi hai người kia có một và hai nút.

Khi xem xét một liên kết hóa học, sẽ dễ dàng hơn để chỉ nhớ hình dạng hình cầu của các quỹ đạo này. Theo cách này, quỹ đạo của ns tiếp cận người khác và ở khoảng cách xa r, electron sẽ tạo thành liên kết với electron của nguyên tử lân cận. Từ đây phát sinh một số lý thuyết (TEV và TOM) giải thích liên kết này.

Chúng được tượng trưng như thế nào?

Các quỹ đạo nguyên tử, rõ ràng, được ký hiệu là: nl_ml.

Các số lượng tử lấy toàn bộ các giá trị 0, 1, 2, v.v., nhưng để tượng trưng cho các quỹ đạo chỉ còn lại n một giá trị số Trong khi cho tôi, toàn bộ số được thay thế bằng chữ cái tương ứng của nó (s, p, d, f); và cho ml, một công thức biến hoặc toán học (ngoại trừ ml= 0).

Ví dụ: đối với quỹ đạo 1s: n= 1, s = 0 và ml= 0 Điều tương tự áp dụng cho tất cả các quỹ đạo ns (2s, 3s, 4s, v.v.).

Để tượng trưng cho phần còn lại của các quỹ đạo, cần phải giải quyết các loại của chúng, mỗi loại có mức năng lượng và đặc điểm riêng của nó.

Các loại

Quỹ đạo

Các số lượng tử tôi= 0 và ml= 0 (ngoài các thành phần hướng tâm và góc của nó) mô tả một quỹ đạo có hình cầu. Đây là cái đứng đầu kim tự tháp của quỹ đạo của hình ảnh ban đầu. Ngoài ra, như đã thấy trong hình ảnh của các nút xuyên tâm, có thể dự đoán rằng các quỹ đạo 4s, 5s và 6s có ba, bốn và năm nút.

Chúng được đặc trưng bởi sự đối xứng và các electron của chúng trải qua một điện tích hạt nhân hiệu quả cao hơn. Điều này là do các electron của chúng có thể xuyên qua các lớp bên trong và bay rất gần hạt nhân, tạo ra sức hút tích cực đối với chúng.

Do đó, có khả năng một electron 3s có thể xuyên qua quỹ đạo 2s và 1, tiếp cận hạt nhân. Thực tế này giải thích tại sao một nguyên tử có quỹ đạo lai sp, có độ âm điện cao hơn (với xu hướng thu hút mật độ điện tử của các nguyên tử lân cận của nó nhiều hơn) so với nguyên tử sp.³.

Do đó, các electron của quỹ đạo là những electron trải qua điện tích của hạt nhân và ổn định hơn về mặt năng lượng. Cùng nhau, chúng tạo ra hiệu ứng che chắn cho các electron của các cấp phụ hoặc quỹ đạo khác; nghĩa là, chúng làm giảm điện tích hạt nhân Z thực sự của các electron bên ngoài nhất.

Quỹ đạo p

Các quỹ đạo p sở hữu số lượng tử tôi= 1 và với các giá trị là ml= -1, 0, +1. Nghĩa là, một electron trong các quỹ đạo này có thể có ba hướng, được biểu diễn dưới dạng quả tạ màu vàng (theo hình trên).

Lưu ý rằng mỗi quả tạ được đặt dọc theo trục Cartesian x, và và z. Do đó, quỹ đạo p nằm trên trục x, được ký hiệu là p_x; một trên trục y, p_và; và nếu nó vuông góc với mặt phẳng xy, nghĩa là trên trục z, thì đó là p_z.

Tất cả các quỹ đạo đều vuông góc với nhau, nghĩa là chúng tạo thành một góc 90 độ. Ngoài ra, chức năng góc biến mất trong hạt nhân (nguồn gốc của trục Cartesian) và chỉ có xác suất tìm thấy electron bên trong các thùy (mật độ electron phụ thuộc vào chức năng xuyên tâm).

Hiệu quả che chắn kém

Các electron của các quỹ đạo này không thể xuyên qua các lớp bên trong một cách dễ dàng như các quỹ đạo của s. So sánh các hình thức của chúng, các quỹ đạo p dường như gần với hạt nhân hơn; tuy nhiên, các điện tử ns được tìm thấy thường xuyên nhất xung quanh hạt nhân.

Hậu quả của những điều trên là gì? Đó là một điện tử NP trải qua một điện tích hạt nhân hiệu quả thấp hơn. Và ngoài ra, cái sau bị giảm thêm bởi hiệu ứng sàng lọc của các quỹ đạo s. Điều này giải thích, ví dụ, tại sao một nguyên tử với sp quỹ đạo lai³ nó ít âm điện hơn so với quỹ đạo sp² hoặc sp.

Cũng cần lưu ý rằng mỗi quả tạ có mặt phẳng nút góc, nhưng không có nút xuyên tâm (quỹ đạo 2p không có gì khác). Điều đó có nghĩa là, nếu nó được cắt lát, bên trong nó sẽ không có các lớp như với quỹ đạo 2s; nhưng từ quỹ đạo 3p trở đi, các nút xuyên tâm sẽ bắt đầu được quan sát.

Các nút góc này chịu trách nhiệm cho thực tế là các electron ngoài cùng có hiệu ứng che chắn kém. Ví dụ, các electron 2s che chắn các quỹ đạo 2p ở mức độ lớn hơn 2p so với các electron của quỹ đạo 3s.

Px, Py và Pz

Vì các giá trị của ml là -1, 0 và +1, mỗi cái đại diện cho một quỹ đạo Px, Py hoặc Pz. Tổng cộng, chúng có thể chứa sáu electron (hai cho mỗi quỹ đạo). Thực tế này rất quan trọng để hiểu cấu hình điện tử, bảng tuần hoàn và các yếu tố tạo nên cái gọi là khối p.

Quỹ đạo

Các quỹ đạo d có giá trị là tôi= 2 và ml= -2, -1, 0, +1, +2. Do đó, có năm quỹ đạo có khả năng chứa tổng cộng mười electron. Năm chức năng góc của quỹ đạo d được thể hiện trong hình trên.

Những cái đầu tiên, quỹ đạo 3d, thiếu các nút xuyên tâm, nhưng tất cả những cái khác, ngoại trừ quỹ đạo d_z2, có hai mặt phẳng nút; không phải là các mặt phẳng của hình ảnh, bởi vì chúng chỉ hiển thị trong đó các trục màu cam được đặt với các dạng lá cỏ ba lá. Hai mặt phẳng nút là những mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng màu xám.

Các hình thức của chúng làm cho chúng thậm chí còn kém hiệu quả hơn trong việc che chắn tải hạt nhân hiệu quả. Tại sao? Bởi vì chúng có nhiều nút hơn, nhờ đó hạt nhân có thể thu hút các electron bên ngoài.

Do đó, tất cả các quỹ đạo d góp phần làm tăng bán kính nguyên tử ít phát âm từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác.

Quỹ đạo

Cuối cùng, quỹ đạo f có số lượng tử với các giá trị là tôi= 3 và ml= -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Có bảy quỹ đạo f, với tổng số mười bốn electron. Các quỹ đạo này bắt đầu có sẵn từ giai đoạn 6, được ký hiệu bề ngoài là 4f.

Mỗi chức năng góc đại diện cho thùy với hình dạng phức tạp và một số mặt phẳng nút. Do đó, chúng che chắn thậm chí ít hơn các electron bên ngoài và hiện tượng này giải thích những gì được gọi là co thắt lanthanide.

Vì lý do đó cho các nguyên tử nặng, không có sự biến đổi rõ rệt của bán kính nguyên tử của chúng ở cấp độ n cho người khác n + 1 (6n đến 7n chẳng hạn). Đến nay, quỹ đạo 5f là quỹ đạo cuối cùng được tìm thấy trong các nguyên tử tự nhiên hoặc nhân tạo.

Với tất cả những điều này, một vực thẳm mở ra giữa cái được gọi là quỹ đạo và quỹ đạo. Mặc dù nguyên văn chúng giống nhau, nhưng thực tế chúng rất khác nhau.

Khái niệm quỹ đạo nguyên tử và cách tiếp cận quỹ đạo đã cho phép giải thích về liên kết hóa học, và bằng cách này hay cách khác, có thể ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử.

Tài liệu tham khảo

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa vô cơ (Ấn bản thứ tư, trang 13-8). Đồi Mc Graw.
2. Harry B. Gray. (1965). Electron và liên kết hóa học. W.A. Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube (s.f.). Quỹ đạo nguyên tử và số lượng tử. Lấy từ: quimitube.com
4. Tàu C. R. (2016). Hình dung các quỹ đạo điện tử. Lấy từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Các quỹ đạo nguyên tử. Lấy từ: chemguide.co.uk
6. Truyện lượng tử (Ngày 26 tháng 8 năm 2011). Quỹ đạo nguyên tử, một lời nói dối trường trung học. Phục hồi từ: cuentos-cuanticos.com