Zawartość
Atomy składają się z ciężkiego jądra otoczonego lekkimi elektronami. Zachowanie elektronów podlega zasadom mechaniki kwantowej. Reguły te pozwalają elektronom zajmować określone regiony zwane orbitaliami. Oddziaływania atomów zachodzą prawie wyłącznie przez ich najbardziej oddalone elektrony, więc kształt tych orbitali staje się bardzo ważny. Na przykład, gdy atomy są umieszczone obok siebie, jeśli ich najbardziej zewnętrzne orbitale zachodzą na siebie, mogą wytworzyć silne wiązanie chemiczne; więc pewna wiedza o kształcie orbitali jest ważna dla zrozumienia oddziaływań atomowych.
Liczby kwantowe i orbitale
Fizycy uważają, że wygodnie jest używać stenografii do opisywania właściwości elektronów w atomie. Skrót dotyczy liczb kwantowych; liczby te mogą być tylko liczbami całkowitymi, a nie ułamkami. Główna liczba kwantowa, n, jest związana z energią elektronu; wtedy jest orbitalna liczba kwantowa, l, i liczba kwantowa momentu pędu, m. Istnieją inne liczby kwantowe, ale nie są one bezpośrednio związane z kształtem orbitali. Orbitale nie są orbitami w sensie bycia ścieżkami wokół jądra; zamiast tego reprezentują pozycje, w których elektron najprawdopodobniej zostanie znaleziony.
S Orbitals
Dla każdej wartości n istnieje jeden orbital, w którym oba l i m są równe zero. Te orbity są kulami. Im wyższa wartość n, tym większa kula - to znaczy, tym bardziej prawdopodobne jest, że elektron znajdzie się dalej od jądra. Sfery nie są jednakowo gęste; są bardziej jak zagnieżdżone muszle. Ze względów historycznych nazywa się to orbitą. Z powodu zasad mechaniki kwantowej elektrony o najniższej energii, przy n = 1, muszą mieć zarówno li im równe zero, więc jedynym orbitalem, który istnieje dla n = 1, jest orbital s. Orbital istnieje również dla każdej innej wartości n.
P Orbitale
Gdy n jest większe niż jeden, otwiera się więcej możliwości. L, orbitalna liczba kwantowa, może mieć dowolną wartość do n-1. Kiedy l jest równe jeden, orbital nazywany jest orbitalem p. P orbitale wyglądają jak hantle. Dla każdego l, m zmienia się od dodatniego do ujemnego l w krokach co jeden. Zatem dla n = 2, l = 1, m może wynosić 1, 0 lub -1. Oznacza to, że istnieją trzy wersje oczodołu: jedna z hantlami w górę i w dół, druga z hantlami od lewej do prawej, a druga z hantlami pod kątem prostym do obu pozostałych. Orbitale P istnieją dla wszystkich głównych liczb kwantowych większych niż jeden, chociaż mają dodatkową strukturę, gdy n staje się wyższe.
D Orbitale
Gdy n = 3, to l może wynosić 2, a gdy l = 2, m może wynosić 2, 1, 0, -1 i -2. L = 2 orbitale nazywane są d orbitali i istnieje pięć różnych orbitali odpowiadających różnym wartościom m. Orbital n = 3, l = 2, m = 0 również wygląda jak hantle, ale z pączkiem wokół środka. Pozostałe cztery orbitale d wyglądają jak cztery jajka ułożone na końcu w kwadratowy wzór. Różne wersje mają po prostu jajka skierowane w różnych kierunkach.
F Orbitale
Orbitale n = 4, l = 3 nazywane są orbitali f i trudno je opisać. Mają wiele złożonych funkcji. Na przykład n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; oraz m = -1 orbitale znów mają kształt hantli, ale teraz z dwoma pączkami między końcami sztangi. Pozostałe wartości m wyglądają jak wiązka ośmiu balonów, ze wszystkimi węzłami związanymi w środku.
Wizualizacje
Matematyka rządząca orbitami elektronowymi jest dość złożona, ale istnieje wiele zasobów online, które zapewniają graficzne realizacje różnych orbit. Narzędzia te są bardzo pomocne w wizualizacji zachowania elektronów wokół atomów.