Trong hóa học và vật lý, obitan nguyên tử là một hàm được gọi là hàm sóng mô tả các tính chất đặc trưng của không quá hai electron trong vùng lân cận của hạt nhân nguyên tử hoặc hệ hạt nhân, như trong phân tử. Một quỹ đạo thường được mô tả như một vùng ba chiều mà trong đó có 95% cơ hội tìm thấy một điện tử.
Quỹ đạo và quỹ đạo
Khi một hành tinh chuyển động quanh Mặt trời, nó sẽ theo một con đường được gọi là quỹ đạo. Tương tự, một nguyên tử có thể được biểu diễn dưới dạng các electron quay quanh các quỹ đạo xung quanh hạt nhân. Trên thực tế, mọi thứ khác nhau, và các electron nằm trong các vùng không gian được gọi là các obitan nguyên tử. Hóa học là nội dung với một mô hình đơn giản của nguyên tử để tính toán phương trình sóng Schrödinger và do đó, xác định các trạng thái có thể có của electron.
Quỹ đạo và quỹ đạo nghe tương tự nhau, nhưng chúng có ý nghĩa hoàn toàn khác nhau. Điều cực kỳ quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa chúng.
Không thể hiển thị quỹ đạo
Để vẽ quỹ đạo của một thứ, bạn cần biết chính xác vị trí của vật đóđược đặt và có thể thiết lập vị trí của nó trong giây lát. Điều này là không thể đối với một electron.
Theo nguyên lý bất định Heisenberg, không thể biết chính xác một hạt đang ở đâu vào lúc này và sau này nó sẽ ở đâu. (Trên thực tế, nguyên tắc nói rằng không thể xác định đồng thời và chính xác tuyệt đối động lượng và động lượng của nó).
Do đó, không thể xây dựng quỹ đạo của electron xung quanh hạt nhân. Đây có phải là một vấn đề lớn? Không. Nếu điều gì đó không thể thực hiện được, điều đó nên được chấp nhận và tìm cách khắc phục.
Điện tử hydro - quỹ đạo 1s
Giả sử có một nguyên tử hydro và tại một thời điểm xác định vị trí của một electron được in bằng đồ thị. Ngay sau đó, quy trình được lặp lại và người quan sát thấy rằng hạt đang ở một vị trí mới. Làm thế nào cô ấy đi từ vị trí đầu tiên đến vị trí thứ hai là không rõ.
Nếu bạn tiếp tục theo cách này, bạn sẽ dần dần hình thành một loại bản đồ 3D về nơi hạt có khả năng ở.
Trong trường hợp của nguyên tử hydro, electron có thể ở bất kỳ đâu trong không gian hình cầu bao quanh hạt nhân. Sơ đồ cho thấy một mặt cắt ngang của không gian hình cầu này.
95% thời gian (hoặc bất kỳ tỷ lệ phần trăm nào khác, vì chỉ kích thước của vũ trụ mới có thể cung cấp một trăm phần trăm chắc chắn) electron sẽ ở trong một vùng không gian khá dễ xác định, đủ gần với hạt nhân. Một vùng như vậy được gọi là quỹ đạo. Các obitan nguyên tử làvùng không gian nơi tồn tại electron.
Anh ấy đang làm gì ở đó? Chúng tôi không biết, chúng tôi không thể biết, và do đó chúng tôi đơn giản là bỏ qua vấn đề này! Chúng ta chỉ có thể nói rằng nếu một electron ở trong một quỹ đạo cụ thể, thì nó sẽ có một năng lượng nhất định.
Mỗi quỹ đạo có một tên.
Không gian mà electron hydro chiếm giữ được gọi là quỹ đạo 1s. Đơn vị ở đây có nghĩa là hạt ở mức năng lượng gần hạt nhân nhất. S cho biết về hình dạng của quỹ đạo. Các obitan S đối xứng hình cầu về hạt nhân - ít nhất giống như một quả cầu rỗng bằng vật liệu khá đặc với một hạt nhân ở tâm.
2s
Quỹ đạo tiếp theo là 2s. Nó tương tự như 1s, ngoại trừ vị trí có khả năng xảy ra nhất của electron là xa hạt nhân hơn. Đây là quỹ đạo của mức năng lượng thứ hai.
Nếu bạn quan sát kỹ, bạn sẽ nhận thấy rằng gần hạt nhân hơn có một vùng khác có mật độ electron cao hơn một chút ("mật độ" là một cách khác để chỉ xác suất hạt này có mặt ở một nơi nhất định).
Các electron
2s (và 3s, 4s, v.v.) dành một phần thời gian của chúng gần tâm nguyên tử hơn nhiều so với những gì người ta có thể mong đợi. Kết quả của việc này là làm giảm một chút năng lượng của chúng trong các obitan s. Các electron càng đến gần hạt nhân, năng lượng của chúng càng giảm.
Các orbital
3s-, 4s (và v.v.) đang tiến xa hơn từ tâm của nguyên tử.
quỹ đạo P
Không phải tất cả các electron đều sống trong obitan s (trên thực tế, rất ít electron trong số chúng sống trong obitan s). Ở mức năng lượng đầu tiên, vị trí khả dụng duy nhất cho chúng là 1 giây, ở mức thứ hai, 2 giây và 2p được thêm vào.
Quỹ đạo kiểu này giống như 2 quả bóng bay giống hệt nhau, được kết nối với nhau ở lõi. Biểu đồ cho thấy một mặt cắt ngang của một vùng không gian 3 chiều. Một lần nữa, quỹ đạo chỉ hiển thị khu vực có 95% cơ hội tìm thấy một electron duy nhất.
Nếu chúng ta tưởng tượng một mặt phẳng nằm ngang đi qua hạt nhân theo cách mà một phần của quỹ đạo sẽ ở trên mặt phẳng và phần kia ở dưới nó, thì xác suất tìm thấy electron trên mặt phẳng này là bằng không.. Vậy làm thế nào một hạt có thể đi từ phần này sang phần khác nếu nó không bao giờ có thể đi qua mặt phẳng của hạt nhân? Điều này là do bản chất sóng của nó.
Không giống như quỹ đạo s-, quỹ đạo p có một hướng nhất định.
Ở bất kỳ mức năng lượng nào, bạn có thể có ba obitan p hoàn toàn tương đương nằm ở góc vuông với nhau. Chúng được ký hiệu tùy ý bằng các ký hiệu px, pyvà pz. Điều này được chấp nhận vì sự thuận tiện - ý nghĩa của các hướng X, Y hoặc Z liên tục thay đổi, khi nguyên tử di chuyển ngẫu nhiên trong không gian.
Các obitan
P ở mức năng lượng thứ hai được gọi là 2px, 2pyvà 2pz. Có các obitan tương tự trên các obitan tiếp theo - 3px, 3py, 3pz, 4p x, 4py,4pz, v.v.
Tất cả các cấp, ngoại trừ cấp đầu tiên, đều có obitan p. Ở các cấp độ cao hơn, các "cánh hoa" dài ra hơn, với vị trí gần giống nhất của điện tử ở khoảng cách xa hơn so với hạt nhân.
d- và f-obitan
Ngoài các obitan s và p, có hai bộ obitan khác dành cho các electron ở mức năng lượng cao hơn. Trên thứ ba, có thể có năm obitan d (với hình dạng và tên gọi phức tạp), cũng như obitan 3s và 3p (3px, 3py, 3pz ). Có tổng cộng 9 ở đây.
Vào ngày thứ tư, cùng với 4s và 4p và 4d, 7 obitan f bổ sung xuất hiện - tổng cộng là 16, cũng có sẵn ở tất cả các mức năng lượng cao hơn.
Vị trí của các electron trong các obitan
Một nguyên tử có thể được coi như một ngôi nhà rất lạ mắt (giống như một kim tự tháp ngược) với một hạt nhân sống ở tầng trệt và các phòng khác nhau ở các tầng trên được chiếm giữ bởi các electron:
- chỉ có 1 phòng duy nhất ở tầng 1 (1s);
- trên phòng thứ hai đã có 4 (2s, 2px, 2pyvà 2pz);
- trên tầng ba có 9 phòng (một 3s, 3 3p và 5 obitan 3d), v.v.
Nhưng các phòng không lớn lắm. Mỗi người trong số chúng chỉ có thể chứa 2 electron.
Một cách thuận tiện để hiển thị quỹ đạo nguyên tử mà các hạt này ở trong là vẽ "ô lượng tử".
Tế bào lượng tử
Hạt nhânCác quỹ đạo có thể được biểu diễn dưới dạng hình vuông với các điện tử trong chúng được hiển thị dưới dạng mũi tên. Thông thường, các mũi tên lên và xuống được sử dụng để chỉ ra rằng các hạt này khác nhau.
Nhu cầu về các electron khác nhau trong nguyên tử là hệ quả của thuyết lượng tử. Nếu chúng ở các quỹ đạo khác nhau thì không sao, nhưng nếu chúng ở cùng một quỹ đạo, thì giữa chúng phải có một số khác biệt nhỏ. Lý thuyết lượng tử tạo cho các hạt một đặc tính gọi là "spin", là hướng của các mũi tên đề cập đến.
Quỹ đạo
1s với hai electron được hiển thị dưới dạng hình vuông với hai mũi tên hướng lên và xuống, nhưng nó cũng có thể được viết nhanh hơn nữa dưới dạng 1s2. Nó đọc "một s hai", không phải "một s bình phương". Không nên nhầm lẫn các con số trong các ký hiệu này. Đầu tiên là mức năng lượng và thứ hai là số hạt trên mỗi quỹ đạo.
Lai hoá
Trong hóa học, lai hóa là khái niệm trộn các obitan nguyên tử thành các obitan lai hóa mới có khả năng ghép đôi các electron để tạo thành liên kết hóa học. Phép lai hóa sp giải thích các liên kết hóa học của các hợp chất như ankin. Trong mô hình này, các obitan nguyên tử cacbon 2s và 2p trộn lẫn để tạo thành hai obitan sp. Axetilen C2H2bao gồm sự liên kết sp của hai nguyên tử cacbon với sự hình thành một liên kết σ và hai liên kết π bổ sung.
Các obitan nguyên tử của cacbon trong hydrocacbon no cósp lai giống hệt nhau3-orbitals có hình dạng giống quả tạ, một phần của cái này lớn hơn nhiều so với cái còn lại.
Sp2-hybridization tương tự như những cái trước đó và được hình thành bằng cách trộn một obitan s và hai obitan p. Ví dụ, trong phân tử etylen, ba sp2- và một obitan p được tạo thành.
Các obitan nguyên tử: nguyên lý lấp đầy
Tưởng tượng sự chuyển đổi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, người ta có thể thiết lập cấu trúc điện tử của nguyên tử tiếp theo bằng cách đặt một hạt bổ sung vào quỹ đạo có sẵn tiếp theo.
Các electron, trước khi lấp đầy các mức năng lượng cao hơn, chiếm các điện tử thấp hơn nằm gần hạt nhân hơn. Khi có sự lựa chọn, chúng lấp đầy các quỹ đạo riêng lẻ.
Thứ tự điền này được gọi là quy tắc của Hund. Nó chỉ áp dụng khi các obitan nguyên tử có năng lượng bằng nhau và cũng giúp giảm thiểu lực đẩy giữa các electron, làm cho nguyên tử ổn định hơn.
Lưu ý rằng quỹ đạo s luôn có năng lượng ít hơn một chút so với quỹ đạo p ở cùng mức năng lượng, vì vậy quỹ đạo trước luôn lấp đầy trước quỹ đạo sau.
Điều thực sự kỳ lạ là vị trí của các obitan 3d. Chúng ở cấp độ cao hơn 4s, và do đó, các obitan 4s sẽ lấp đầy đầu tiên, tiếp theo là tất cả các obitan 3d và 4p.
Sự nhầm lẫn tương tự cũng xảy ra ở các cấp độ cao hơn với nhiều kiểu dệt ở giữa. Do đó, ví dụ, các obitan nguyên tử 4f không được lấp đầy cho đến khi tất cả các vị trí trên6 giây.
Biết thứ tự điền là trọng tâm để hiểu cách mô tả cấu trúc điện tử.
