Քիմիայի և ֆիզիկայի մեջ ատոմային օրբիտալները ֆունկցիա են, որը կոչվում է ալիքային ֆունկցիա, որը նկարագրում է ատոմի միջուկի կամ միջուկների համակարգի մոտակայքում գտնվող ոչ ավելի, քան երկու էլեկտրոնի հատկությունները, ինչպես մոլեկուլում: Օրբիտալը հաճախ պատկերվում է որպես եռաչափ շրջան, որի ներսում էլեկտրոն գտնելու 95 տոկոս հավանականություն կա:
Օբիտալներ և ուղեծրեր
Երբ մոլորակը շարժվում է Արեգակի շուրջը, այն անցնում է մի ճանապարհ, որը կոչվում է ուղեծիր: Նմանապես, ատոմը կարող է ներկայացվել որպես էլեկտրոններ, որոնք պտտվում են միջուկի շուրջ ուղեծրերով: Իրականում, ամեն ինչ տարբեր է, և էլեկտրոնները գտնվում են տարածության շրջաններում, որոնք հայտնի են որպես ատոմային ուղեծրեր: Քիմիան բավարարվում է ատոմի պարզեցված մոդելով՝ Շրյոդինգերի ալիքի հավասարումը հաշվարկելու և, համապատասխանաբար, էլեկտրոնի հնարավոր վիճակները որոշելու համար։
Ուղեծրերն ու ուղեծրերը հնչում են նման, բայց դրանք բոլորովին տարբեր իմաստներ ունեն: Չափազանց կարևոր է հասկանալ դրանց միջև եղած տարբերությունը։
Անհնար է ցուցադրել ուղեծրերը
Ինչ-որ բանի հետագիծը գծելու համար դուք պետք է հստակ իմանաք, թե որտեղ է գտնվում օբյեկտըգտնվում է, և կարող է մի պահ պարզել, թե որտեղ կլինի: Սա անհնար է էլեկտրոնի համար:
Հայզենբերգի անորոշության սկզբունքի համաձայն՝ անհնար է հստակ իմանալ, թե տվյալ պահին որտեղ է գտնվում մասնիկը և որտեղ կլինի այն ավելի ուշ: (Իրականում սկզբունքն ասում է, որ անհնար է միաժամանակ և բացարձակ ճշգրտությամբ որոշել դրա թափն ու թափը):
Հետևաբար, անհնար է էլեկտրոնի ուղեծիր կառուցել միջուկի շուրջ: Արդյո՞ք սա մեծ խնդիր է: Ոչ Եթե ինչ-որ բան հնարավոր չէ, այն պետք է ընդունել և գտնել դրա հետ կապված ուղիներ:
Ջրածնի էլեկտրոն – 1s-օրբիտալ
Ենթադրենք, որ կա մեկ ջրածնի ատոմ և ժամանակի որոշակի պահին մեկ էլեկտրոնի դիրքը գրաֆիկորեն տպագրված է: Դրանից կարճ ժամանակ անց ընթացակարգը կրկնվում է, և դիտորդը գտնում է, որ մասնիկը գտնվում է նոր դիրքում: Թե ինչպես է նա հասել առաջին տեղից երկրորդ, անհայտ է:
Եթե շարունակեք այս կերպ, աստիճանաբար կձևավորեք մի տեսակ 3D քարտեզ, թե որտեղ է հավանական մասնիկը:
Ջրածնի ատոմի դեպքում էլեկտրոնը կարող է լինել միջուկը շրջապատող գնդաձև տարածության մեջ: Դիագրամը ցույց է տալիս այս գնդաձև տարածության խաչմերուկը:
Ժամանակի
95%-ը (կամ ցանկացած այլ տոկոս, քանի որ միայն տիեզերքի չափը կարող է ապահովել հարյուր տոկոսանոց որոշակիություն) էլեկտրոնը գտնվում է տարածության բավականին հեշտությամբ որոշվող տարածքում՝ բավական մոտ միջուկին: Նման շրջանը կոչվում է ուղեծր: Ատոմային ուղեծրերն ենտարածության այն շրջանները, որտեղ գոյություն ունի էլեկտրոն։
Ինչ է նա անում այնտեղ: Մենք չգիտենք, մենք չենք կարող իմանալ, և հետևաբար մենք պարզապես անտեսում ենք այս խնդիրը: Մենք կարող ենք միայն ասել, որ եթե էլեկտրոնը գտնվում է որոշակի ուղեծրում, ապա այն կունենա որոշակի էներգիա։
Յուրաքանչյուր ուղեծր ունի անուն:
Ջրածնի էլեկտրոնի զբաղեցրած տարածությունը կոչվում է 1s-օրբիտալ։ Այստեղ միավորը նշանակում է, որ մասնիկը գտնվում է միջուկին ամենամոտ էներգիայի մակարդակում: Ս-ն պատմում է ուղեծրի ձևի մասին։ S-օրբիտալները գնդաձև սիմետրիկ են միջուկի նկատմամբ, առնվազն նման են բավականին խիտ նյութից բաղկացած սնամեջ գնդիկին, որի կենտրոնում միջուկն է:
2s
Հաջորդ ուղեծիրը 2 վրկ է: Այն նման է 1-ին, բացառությամբ, որ էլեկտրոնի ամենահավանական գտնվելու վայրը միջուկից ավելի հեռու է: Սա երկրորդ էներգետիկ մակարդակի ուղեծիր է։
Եթե ուշադիր նայեք, կնկատեք, որ միջուկին ավելի մոտ կա մի փոքր ավելի բարձր էլեկտրոնային խտությամբ մեկ այլ շրջան («խտությունը» մեկ այլ միջոց է ցույց տալու հավանականությունը, որ այս մասնիկը որոշակի վայրում է):
2s էլեկտրոնները (և 3s, 4s և այլն) իրենց ժամանակի մի մասն անցկացնում են ատոմի կենտրոնին շատ ավելի մոտ, քան կարելի էր ակնկալել: Դրա արդյունքը նրանց էներգիայի մի փոքր նվազում է s-օրբիտալներում: Որքան էլեկտրոնները մոտենում են միջուկին, այնքան նրանց էներգիան նվազում է։
3s-, 4s-օրբիտալները (և այլն) ավելի են հեռանում ատոմի կենտրոնից:
P-օրբիտալներ
Ոչ բոլոր էլեկտրոններն են ապրում s ուղեծրերում (իրականում նրանցից շատ քչերն են ապրում): Էներգիայի առաջին մակարդակում նրանց համար միակ հասանելի դիրքը 1-ն է, երկրորդում ավելացվում են 2-ները և 2p-ները:
Այս տիպի ուղեծրերը ավելի շատ նման են 2 նույնական փուչիկների, որոնք միմյանց հետ կապված են միջուկում: Դիագրամը ցույց է տալիս տարածության եռաչափ շրջանի խաչմերուկը: Կրկին, ուղեծրը ցույց է տալիս միայն մեկ էլեկտրոն գտնելու 95 տոկոս հավանականություն ունեցող տարածքը:
Եթե պատկերացնենք հորիզոնական հարթություն, որն անցնում է միջուկով այնպես, որ ուղեծրի մի մասը կլինի հարթությունից վեր, իսկ մյուսը՝ դրա տակ, ապա այս հարթության վրա էլեկտրոն գտնելու հավանականությունը զրոյական է։. Այսպիսով, ինչպե՞ս է մասնիկը անցնում մի մասից մյուսը, եթե այն երբեք չի կարող անցնել միջուկի հարթությամբ: Դա պայմանավորված է նրա ալիքային բնույթով:
Ի տարբերություն s-ի, p- ուղեծրն ունի որոշակի ուղղություն։
Ցանկացած էներգիայի մակարդակում դուք կարող եք ունենալ երեք բացարձակ համարժեք p-ուղիղներ, որոնք տեղակայված են միմյանց նկատմամբ ուղիղ անկյան տակ: Նրանք կամայականորեն նշվում են px, py և pz խորհրդանիշներով: Սա ընդունված է հարմարության համար. այն, ինչ նշանակում է X, Y կամ Z ուղղություններով, անընդհատ փոխվում է, քանի որ ատոմը պատահականորեն շարժվում է տարածության մեջ:
P-օրբիտալները երկրորդ էներգետիկ մակարդակում կոչվում են 2px, 2py և 2pz. Նմանատիպ ուղեծրեր կան նաև հաջորդների վրա՝ 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz և այլն:
Բոլոր մակարդակները, բացառությամբ առաջինի, ունեն p-օրբիտալներ: Ավելի բարձր մակարդակներում «ծաղկաթերթիկները» ավելի երկարացված են, էլեկտրոնի ամենահավանական տեղակայումը միջուկից ավելի մեծ հեռավորության վրա է:
d- և f-օրբիտալներ
Բացի s և p ուղեծրերից, կան երկու այլ շարք ուղեծրեր, որոնք հասանելի են ավելի բարձր էներգիայի մակարդակներում գտնվող էլեկտրոններին: Երրորդում կարող են լինել հինգ d-օրբիտալներ (բարդ ձևերով և անուններով), ինչպես նաև 3s- և 3p- ուղեծրեր (3px, 3py, 3pz): Այստեղ ընդհանուր առմամբ 9-ն է։
Չորրորդին, 4s-ի և 4p-ի և 4d-ի հետ մեկտեղ, հայտնվում են 7 լրացուցիչ f-օրբիտալներ՝ ընդհանուր 16-ը, որոնք հասանելի են նաև էներգիայի բոլոր բարձր մակարդակներում:
Էլեկտրոնների տեղաբաշխումը ուղեծրերում
Ատոմը կարելի է պատկերացնել որպես շատ շքեղ տուն (ինչպես շրջված բուրգը) առաջին հարկում ապրող միջուկով և վերին հարկերի տարբեր սենյակներով՝ զբաղված էլեկտրոններով:
- առաջին հարկում կա ընդամենը 1 սենյակ (1);
- երկրորդ սենյակում արդեն կա 4 (2s, 2px, 2py և 2pz);
- երրորդ հարկում կա 9 սենյակ (մեկ 3վ, երեք 3p և հինգ 3d ուղեծրեր) և այլն։
Բայց սենյակներն այնքան էլ մեծ չեն։ Նրանցից յուրաքանչյուրը կարող է պահել ընդամենը 2 էլեկտրոն։
Ատոմային ուղեծրերը ցույց տալու հարմար միջոց, որոնցում գտնվում են այս մասնիկները, «քվանտային բջիջներ» նկարելն է։
Քվանտային բջիջներ
ՄիջուկայինՕրբիտալները կարող են ներկայացվել որպես քառակուսիներ, որոնցում առկա էլեկտրոնները ցուցադրվում են որպես սլաքներ: Հաճախ վեր և վար սլաքներն օգտագործվում են ցույց տալու համար, որ այս մասնիկները տարբեր են:
Ատոմում տարբեր էլեկտրոնների անհրաժեշտությունը քվանտային տեսության հետևանք է: Եթե նրանք գտնվում են տարբեր ուղեծրերում, դա լավ է, բայց եթե նրանք գտնվում են նույն ուղեծրում, ապա նրանց միջև որոշակի նուրբ տարբերություն պետք է լինի: Քվանտային տեսությունը մասնիկներին օժտում է «սպին» կոչվող հատկությամբ, ինչին վերաբերում է սլաքների ուղղությունը։
Երկու էլեկտրոններով
1s ուղեծիրը ցուցադրվում է որպես քառակուսի, որի երկու սլաքները ուղղված են վեր և վար, բայց այն կարող է նաև ավելի արագ գրվել որպես 1s2: Այն կարդում է «մեկ ս երկու», ոչ թե «մեկ ս քառակուսի»: Այս նշումներում թվերը չպետք է շփոթել: Առաջինը էներգիայի մակարդակն է, իսկ երկրորդը՝ մեկ ուղեծրի մասնիկների քանակը։
Հիբրիդացում
Քիմիայում հիբրիդացումը ատոմային օրբիտալները նոր հիբրիդային ուղեծրերի մեջ խառնելու հասկացությունն է, որը կարող է զուգակցել էլեկտրոնները՝ քիմիական կապեր ձևավորելու համար: Sp հիբրիդացումը բացատրում է ալկինների նման միացությունների քիմիական կապերը։ Այս մոդելում 2s և 2p ածխածնի ատոմային ուղեծրերը խառնվում են՝ ձևավորելով երկու sp ուղեծրեր։ Ացետիլեն C2H2 բաղկացած է ածխածնի երկու ատոմների sp-sp խճճվածությունից σ-կապ և երկու լրացուցիչ π-կապերի ձևավորումով:
Ածխածնի ատոմային ուղեծրերը հագեցած ածխաջրածիններում ունեննույնական հիբրիդային sp3 - ուղեծրեր, որոնք նման են համր, որոնց մի մասը շատ ավելի մեծ է, քան մյուսը:
Sp2-հիբրիդացումը նման է նախորդներին և ձևավորվում է մեկ s և երկու p-օրբիտալներ խառնելով: Օրինակ, էթիլենի մոլեկուլում ձևավորվում են երեք sp2- և մեկ p-օրբիտալ:
Ատոմային ուղեծրեր. լցման սկզբունք
Պատկերացնելով անցումներ մի ատոմից մյուսը քիմիական տարրերի պարբերական աղյուսակում, կարելի է հաստատել հաջորդ ատոմի էլեկտրոնային կառուցվածքը՝ տեղադրելով լրացուցիչ մասնիկ հաջորդ հասանելի ուղեծրում:
Էլեկտրոնները, նախքան էներգիայի ավելի բարձր մակարդակները լրացնելը, զբաղեցնում են միջուկին ավելի մոտ գտնվող ստորինները: Որտեղ կա ընտրություն, նրանք լրացնում են ուղեծրերը առանձին-առանձին:
Այս լրացման կարգը հայտնի է որպես Հունդի կանոն: Այն կիրառվում է միայն այն դեպքում, երբ ատոմային ուղեծրերն ունեն հավասար էներգիա, ինչպես նաև օգնում է նվազագույնի հասցնել էլեկտրոնների միջև հակահարվածը՝ դարձնելով ատոմը ավելի կայուն։
Նշեք, որ s-օրբիտալը միշտ մի փոքր ավելի քիչ էներգիա ունի, քան p ուղեծրը նույն էներգետիկ մակարդակում, այնպես որ առաջինը միշտ լցվում է երկրորդից առաջ:
Իրականում տարօրինակը 3d ուղեծրերի դիրքն է: Նրանք ավելի բարձր մակարդակի վրա են, քան 4s-ը, և հետևաբար 4s ուղեծրերը լցվում են առաջինը, որին հաջորդում են բոլոր 3d և 4p ուղեծրերը:
Նույն շփոթությունը տեղի է ունենում ավելի բարձր մակարդակներում, որոնց միջև ավելի շատ հյուսվածքներ կան: Հետևաբար, օրինակ, 4f ատոմային ուղեծրերը լցված չեն մինչև բոլոր տեղերը վրան6 վրկ.
Լրացման կարգի իմացությունը առանցքային է էլեկտրոնային կառուցվածքները նկարագրելու համար:
