Атомни орбитали (AO). Квантови числа

Вълновата функция (7), която описва състоянието на електрона, се нарича атомна орбитала(AO).

Квантови числа.В квантовата механика всеки АО се определя от три квантови числа.

Главно квантово число н. Може да приема цели числа от 1 до ∞. Основното квантово число определя:

номер на енергийно ниво;

енергиен диапазон на електроните, разположени на дадено ниво;

орбитални размери;

броя на поднивата на дадено енергийно ниво (първото ниво се състои от едно подниво, второто - от две, третото - от три и т.н.);

В периодичната таблица на елементите максималната стойност на главното квантово число съответства на номера на периода.

Орбитално квантово число л.Определя орбиталния ъглов момент (импулса) на електрона, точната стойност на неговата енергия и формата на орбиталите. Може да приема стойности 0, 1, 2, 3, …, ( н-1).

Атомна орбитала– геометричен образ на едноелектронната вълнова функция ψ, която представлява областта на най-вероятното присъствие на електрон в атома. Той ограничава областта на пространството, в която вероятността за намиране на електрон има определена стойност (90 ... 99%). Понякога орбитала се нарича гранична повърхност на тази област и на чертежите по правило напречното сечение на тази област се изобразява от равнина, минаваща през началото на координатите и лежаща в равнината на чертежа. Центърът на атомното ядро ​​е поставен в началото. Понятието „орбитала“, за разлика от „орбита“, не предполага познаване на точните координати на електрона. Орбиталното квантово число определя формата на атомната орбитала. При л=0 е сфера, с л=1 – том осем (думбел), с л=2 – четирилистна розетка.

Всяка стойност на главното квантово число съответства на нстойности на орбитални квантови числа л(Маса 1). Например ако н=1, тогава лприема само една стойност ( л=0), н=2 – две стойности: 0 и 1 и т.н. Всяка числова стойност лсъответства определена геометрична форма на орбиталите и се присвоява буквено обозначение. Първите четири букви от обозначението са с исторически произход и са свързани с естеството на спектралните линии. с, стр, д, f– първите букви на английските думи, използвани за назоваване на спектралните линии: остри, основни, дифузни, основни. Символите за другите орбитали са дадени по азбучен ред: ж, ч, …

маса 1

Стойности на главните и орбиталните квантови числа

Обозначаването на всяко подниво се определя от две квантови числа - основното (при писане се посочва цифровата стойност) и орбиталното (при писане се посочва буквеното обозначение; орбиталното ()числовата стойност се обозначава с две квантови числа - основният). Например енергийното подниво, за което н=2 и л=1, трябва да се обозначи, както следва: 2т-подниво. Всички орбитали с еднаква стойност лимат една и съща геометрична формула и в зависимост от стойностите на главното квантово число се различават по размер. Например всички орбитали, за които л=0 (с-орбитали) са сферично симетрични и се различават по размер в зависимост от стойността на главното квантово число. Колкото по-висока е стойността н, толкова по-голям е размерът на орбиталите.

Магнитно квантово число m l.Определя възможните стойности на проекцията на орбиталния ъглов момент на електрона върху фиксирана посока в пространството (например върху оста z). Приема отрицателни и положителни стойности л, включително нула. Общият брой на стойностите е 2 л+1:

Взаимодействието на създаденото от електрона магнитно поле с външното магнитно поле зависи от стойността на магнитното квантово число. Ако няма външно магнитно поле, тогава енергията на електрона в атома не зависи от m l. В този случай електрони с еднакви стойности нИ л, но с различни значения m lимат същата енергия. Ако има външно магнитно поле, енергията на електроните с различна m lварира.

В общия случай магнитното квантово число характеризира ориентацията на АО в пространството спрямо външна сила. Магнитното квантово число определя ориентацията на орбиталния ъглов момент спрямо някаква фиксирана посока.

Общ брой възможни стойности m lсъответства на броя на начините за подреждане на орбиталите на дадено подниво в пространството, т.е. общия брой орбитали на дадено подниво (Таблица 2).

таблица 2

Брой орбитали на подниво

Орбитално квантово число л=0 съответства на единствената стойност на магнитното квантово число m l=0. Тези ценности лИ m lхарактеризират всичко с-орбитали, които имат формата на сфера. Тъй като в този случай магнитното квантово число приема само една стойност, всяко s-подниво се състои само от една орбитала. Нека разгледаме всеки Р-подниво. При л=1 орбиталите имат формата на дъмбели (обем осмици), магнитното квантово число приема следните стойности: m l= -1, 0, +1. следователно Р-поднивото се състои от три АО, които са разположени по координатните оси, които са обозначени; p x, p y, p zсъответно (фиг. 1).

Ориз. 1. Пространствена форма на s- и p-атомните орбитали.

За д-подниво л=2, m l= -2, -1, 0, +1, +2 (общо 5 стойности) и всякакви д-поднивото се състои от пет атомни орбитали, които са разположени по определен начин в пространството (фиг. 2) и са съответно обозначени.

Ориз. 2. Пространствена форма на d-атомните орбитали.

Четири от пет д-орбиталите имат формата на четирилопатни розетки, всяка от които е образувана от два дъмбела, петият АО е дъмбел с тор в екваториалната равнина (-орбитала) и е разположен по оста z. Орбиталните лобове са разположени по осите x и y. Орбиталните лобове са разположени симетрично между съответните оси.

Четвъртото енергийно ниво се състои от четири поднива - с, стр, дИ f. Първите три от тях са подобни на описаните по-горе, а четвъртият f-поднивото се състои от седем АО, чиято пространствена форма е доста сложна и не се обсъжда в този раздел.

S. Goudsmit и J. Uhlenbeck, за да опишат някои фини ефекти в спектъра на водородния атом през 1925 г., предположиха наличието на собствен ъглов импулс на електрона, който те нарекоха завъртане. Спинът не може да бъде изразен чрез координати и моменти, той няма аналог в класическата механика. Номер на завъртане селектронът приема само една стойност, равна на проекцията на спиновия вектор върху определена посока на външното поле (например върху оста z) се определя спиново квантово числоГоспожица , което може да приеме две стойности: Госпожица =

Понятието "спин" беше въведено, за да характеризира специфично квантово свойство на електрона. Спинът е проява на релативистични ефекти на микроскопично ниво.

Електронът има четири степени на свобода. Квантовото число на спина приема само дискретни стойности: По този начин състоянието на електрона в атома се определя от набор от стойности на четири квантови числа: н, л, m l, Госпожица.

Обозначение и структура на електронни енергийни нива. Нека дефинираме някои термини, които се използват за обяснение на физическото значение на квантовите числа. Група от орбитали, имащи еднакви форми на орбитално квантово число енергийно подниво. Съвкупността от всички орбитали с еднаква стойност на главното квантово число формира енергийно ниво.

Структурата на атомните електронни нива може да бъде изобразена по два начина: под формата на електронни формули и електронни дифракционни диаграми. При писане на електронни формули се използват две квантови числа n и l: първото ниво е 1 с; второ – 2 с, 2стр; трети – 3 с, 3стр, 3д; четвърти – 4 с, 4стр, 4д, 4fи т.н. (Таблица 3).

Таблица 3

Структура на електронни енергийни нива на атом

Структурата на електронните нива е по-пълно описана с помощта на три квантови числа: н, л, m l. Всеки JSC е условно изобразен под формата на квантови клетки, до които са поставени номер на ниво и символ на подниво.

Електронът има двойна природа: в различни експерименти той може да проявява свойствата на частица и вълна. Свойства на електрона като частица: маса, заряд; вълнови свойства- в характеристиките на движение, интерференция и дифракция.

Движението на електрона се подчинява на законите квантова механика .

Основните характеристики, които определят движението на електрона около ядрото: енергийни и пространствени характеристики на съответната орбитала.

При взаимодействие (припокриване) атомни орбитали(АД ) се образуват принадлежащи на два или повече атома молекулни орбитали(МО).

Молекулните орбитали са запълнени със споделени електрони и извършват ковалентна връзка.

Преди образуването на молекулни орбитали може да има хибридизация на атомни орбитали на един атом.

Хибридизация –промяна на формата на някои орбитали по време на образуването на ковалентна връзка за по-ефективното им припокриване. Образуват се еднакви хибриди АДкоито участват в образованието МО, припокривайки атомните орбитали на други атоми. Хибридизацията е възможна само за атоми, които образуват химични връзки, но не и за свободни атоми.

Въглеводороди

Основни въпроси:

1. Въглеводороди. Класификация. Номенклатура.
2. Структура. Имоти.
3. Приложение на въглеводороди.

Въглеводороди- клас органични съединения, които се състоят от два елемента: въглерод и водород.

Изберете изомери и хомолози:

Наименувайте алканите:

____________________________________________

__________________________________________

Ä реакция на нитриране (Реакцията на Коновалов, 1889 г) е реакцията на заместване на водород с нитро група.

Условия: 13% HNO 3, t = 130 – 140 0 C, P = 15 – 10 5 Pa. В промишлен мащаб нитрирането на алкани се извършва в газова фаза при 150 - 170 0 С с азотен оксид (IV) или пари на азотна киселина.

CH 4 + HO – NO 2 → CH 3 – NO 2 + H 2 O

нитрометан

@ Решете задачи:

1. Съставът на алканите се отразява от общата формула:

а) C n H 2 n +2; б) C n H 2 n -2; в) C n H 2 n; г) CnH2n-6.

2. С какви реагенти могат да реагират алканите:

а) Br 2 (разтвор); б) Br 2, t 0; V) H2SO4; G) HNO3 (разреден), t 0 ; д) KMnO 4 ; д) CON?

Отговори: 1) реактиви а, б, г, г; 2) реактиви b, c, f;

3) реактиви b, d; 4) реактиви b, d, d, f.

1. Установете съответствие между вида на реакцията и реакционната схема (уравнение):

1. Посочете веществото, което се образува при пълно хлориране на метан:

а) трихлорометан; б) тетрахлорметан; в) дихлорометан; г) тетрахлороетан.

1. Посочете най-вероятния продукт от монобромирането на 2,2,3-триметилбутан:

а) 2-бромо-2,3,3-триметилбутан; b) 1-бромо-2,2,3-триметилбутан;

c) 1-бромо-2,3,3-триметилбутан; d) 2-бромо-2,2,3-триметилбутан.

Напишете уравнение за реакцията.

Реакция на Wurtz – ефект на метален натрий върху халогенни производни на въглеводороди. Когато две различни халогенни производни реагират, се образува смес от въглеводороди, която може да бъде разделена чрез дестилация.

@ Решете задачи:

1. Посочете името на въглеводорода, който се образува при нагряване на бромоетан с метален натрий:

а) пропан; б) бутан; в) пентан; г) хексан; д) хептан.

Напишете уравнение за реакцията.

1. Какви въглеводороди се образуват, когато металният натрий действа върху сместа:

а) йодометан и 1-бромо-2-метилпропан; б) 2-бромопропан и 2-бромобутан?

Циклоалкани

1. За малки цикли (C 3 – C 4) са характерни присъединителни реакции водород, халогени и халогеноводороди. Реакциите са придружени от отваряне на цикъла.

2. За други цикли (От 5 и нагоре) типични реакции на заместване.

Ненаситени въглеводороди(ненаситени):

Алкени (олефини, ненаситени въглеводороди с двойна връзка, етиленови въглеводороди): Структура: sp 2 -хибридизация, планарно разположение на орбиталите (плосък квадрат). Реакции:добавяне (хидрогениране, халогениране, хидрохалогениране, полимеризация), заместване (нетипично), окисление (изгаряне, KMnO 4), разлагане (без достъп на кислород).

@ Решете задачи:

1. Каква е хибридизацията на въглеродните атоми в молекулата на алкена:

а) 1 и 4 – sp 2, 2 и 3 – sp 3; б) 1 и 4 – sp 3, 2 и 3 – sp 2;

в) 1 и 4 – sp 3, 2 и 3 – sp; г) 1 и 4 – нехибридизирани, 2 и 3 – sp 2 .

2. Назовете алкена:

1. Съставете уравнения на реакцията, като използвате 1-бутен като пример, и назовете получените продукти.

4. В схемата на трансформация по-долу етиленът се образува в реакцията:

а) 1 и 2; б) 1 и 3; в) 2 и 3;

г) етилен не се образува при никаква реакция.

1. Коя реакция противоречи на правилото на Марковников:

а) CH 3 – CH = CH 2 + HBr →; b) CH 3 – CH = CH 2 + H 2 O →;;

в) CH 3 – CH = CH – CH 2 + HCI →; г) CCI 3 – CH = CH 2 + HCI →?

þ Диени със спрегнати връзки:хидролиза 1,3-бутадиен – образува се 2-бутен (1,4-присъединяване):

þ хидрогениране 1,3-бутадиен в присъствието на катализатор Ni - бутан:

þ халогениране 1,3-бутадиен – 1,4-присъединяване (1,4 – дибромо-2-бутен):

þ полимеризация на диени:

Полиени(ненаситени въглеводороди с много двойни връзки) са въглеводороди, чиито молекули съдържат най-малко три двойни връзки.

Получаване на диени:

Ø ефект на алкохолен разтвор на алкали:

Ø Метод на Лебедев (дивинил синтез):

Ø дехидратация на гликоли (алкандиоли):

Алкини (ацетиленови въглеводороди, въглеводороди с една тройна връзка): Структура: sp хибридизация, линейно подреждане на орбиталите. Реакции:добавяне (хидрогениране, халогениране, хидрохалогениране, полимеризация), заместване (образуване на соли), окисление (изгаряне, KMnO 4), разлагане (без достъп на кислород).	5-метилхексин-2 1-пентин 3-метилбутин-1
	1. Кои въглеводороди съответстват на общата формула C n H 2n-2: а) ацетилен, диен; б) етилен, диен; в) циклоалкани, алкени; г) ацетилен, ароматен? 2. Тройната връзка е комбинация от: а) триσ връзки; б) една σ-връзка и две π-връзки; в) две σ-връзки и една π-връзка; г) триπ връзки. 3. Създайте формулата за 3-метилпентин -3.
аз Реакции на присъединяване
v Хидрогениранепротича през етапа на образуване на алкени:
v Добавяне на халогенипротича по-лошо, отколкото в алкените: Алкините обезцветяват бромната вода ( качествена реакция).
v Добавяне на халогеноводороди:
Определят се присъединителните продукти към несиметрични алкини Правилото на Марковников:
v Добавяне на вода (хидратация)– реакция на М. Г. Кучеров, 1881 г.
За ацетиленовите хомолози продуктът от добавянето на вода е кетон:
III. Образуване на соли (киселинни свойства) – реакции на заместване
ð Взаимодействие с активни метали: Ацетиленидите се използват за синтеза на хомолози.
ð Взаимодействие на алкини с амонячни разтвори на сребърен оксид или меден (I) хлорид:
Качествена реакция на крайната тройна връзка -образуването на сиво-бяла утайка от сребърен ацетилид или червено-кафяв меден (I) ацетилид:	HC ≡ CH + CuCI → CuC ≡ CCu ↓ + 2HCI Не възниква реакция
IV. Окислителни реакции
Ÿ Лека оксидация– обезцветяване на воден разтвор на калиев перманганат ( качествен отговор на множествено свързване):	Когато ацетиленът реагира с разреден разтвор на KMnO 4 (стайна температура) - оксалова киселина.

Орбиталите съществуват независимо от това дали в тях присъства електрон (заети орбитали) или липсва (вакантни орбитали). Атомът на всеки елемент, започвайки с водорода и завършвайки с последния получен днес елемент, има пълен набор от всички орбитали на всички електронни нива. Те се запълват с електрони, когато атомният номер, тоест зарядът на ядрото, се увеличава.

с-Орбиталите, както е показано по-горе, имат сферична форма и следователно еднаква електронна плътност в посоката на всяка триизмерна координатна ос:

На първото електронно ниво на всеки атом има само един с-орбитален. Започвайки от второто електронно ниво в допълнение към с-появяват се и три орбитали Р-орбитали. Те са оформени като триизмерни осмици, така изглежда зоната на най-вероятното местоположение Р-електрон в областта на атомното ядро. всеки Р-орбиталата е разположена по една от трите взаимно перпендикулярни оси, в съответствие с това в името Р-орбиталите показват, използвайки съответния индекс, оста, по която е разположена неговата максимална електронна плътност:

В съвременната химия орбитала е определящо понятие, което ни позволява да разгледаме процесите на образуване на химични връзки и да анализираме техните свойства, докато вниманието се фокусира върху орбиталите на онези електрони, които участват в образуването на химични връзки, тоест валентност електрони, обикновено електроните от последното ниво.

Въглеродният атом в началното състояние има два електрона във второто (последно) електронно ниво. с-орбитали (маркирани в синьо) и един електрон на две Р-орбитали (маркирани в червено и жълто), третата орбитала е p z-вакантен:

Хибридизация.

В случай, че въглероден атом участва в образуването на наситени съединения (несъдържащи множествени връзки), един с-орбитален и три Р-орбиталите се комбинират, за да образуват нови орбитали, които са хибриди на оригиналните орбитали (процесът се нарича хибридизация). Броят на хибридните орбитали винаги е равен на броя на оригиналните, в този случай четири. Получените хибридни орбитали са еднакви по форма и външно приличат на асиметрични триизмерни осмици:

Цялата структура изглежда е вписана в правилен тетраедър - призма, събрана от правилни триъгълници. В този случай хибридните орбитали са разположени по осите на такъв тетраедър, ъгълът между които и да е две оси е 109 °. Четирите валентни електрона на въглерода са разположени в тези хибридни орбитали:

Участие на орбиталите в образуването на прости химични връзки.

Свойствата на електроните, разположени в четири еднакви орбитали, са еквивалентни; съответно химическите връзки, образувани с участието на тези електрони при взаимодействие с атоми от същия тип, ще бъдат еквивалентни.

Взаимодействието на въглероден атом с четири водородни атома е придружено от взаимно припокриване на удължени хибридни орбитали на въглерод със сферични орбитали на водород. Всяка орбитала съдържа един електрон; в резултат на припокриване всяка двойка електрони започва да се движи по обединената молекулна орбитала.

Хибридизацията води само до промяна на формата на орбиталите в рамките на един атом, а припокриването на орбиталите на два атома (хибридни или обикновени) води до образуване на химична връзка между тях. В такъв случай ( см. Фигура по-долу) максималната електронна плътност е разположена по линията, свързваща два атома. Такава връзка се нарича s-връзка.

Традиционното писане на структурата на получения метан използва символа на валентната лента вместо припокриващи се орбитали. За триизмерно изображение на структура, валентността, насочена от чертожната равнина към зрителя, е показана под формата на плътна клиновидна линия, а валентността, простираща се отвъд чертожната равнина, е показана под формата на пунктиран клин -оформена линия:

Така структурата на молекулата на метана се определя от геометрията на хибридните орбитали на въглерода:

Образуването на молекула етан е подобно на процеса, показан по-горе, разликата е, че когато хибридните орбитали на два въглеродни атома се припокриват, се образува С-С връзка:

Геометрията на молекулата на етана наподобява метана, ъглите на връзката са 109°, което се определя от пространственото разположение на въглеродните хибридни орбитали:

Участие на орбиталите в образуването на множествени химични връзки.

Етиленовата молекула също се образува с участието на хибридни орбитали, но само една участва в хибридизацията с-орбитална и само две Р-орбитали ( p xИ RU), трета орбитала – p z, насочена по оста z, не участва в образуването на хибриди. От първоначалните три орбитали възникват три хибридни орбитали, които са разположени в една равнина, образувайки трилъчева звезда, като ъглите между осите са 120°:

Два въглеродни атома свързват четири водородни атома и също се свързват един с друг, образувайки C-C s-връзка:

Две орбитали p z, които не са участвали в хибридизацията, се припокриват, тяхната геометрия е такава, че припокриването се извършва не по протежение на комуникационната линия C-C, а над и под нея. В резултат се образуват две области с повишена електронна плътност, където се намират два електрона (маркирани в синьо и червено), участващи в образуването на тази връзка. Така се образува една молекулярна орбитала, състояща се от две области, разделени в пространството. Връзка, при която максималната електронна плътност е разположена извън линията, свързваща два атома, се нарича р-връзка:

Втората валентна характеристика в обозначението на двойна връзка, която е широко използвана за изобразяване на ненаситени съединения от векове, в съвременното разбиране предполага наличието на две области с повишена електронна плътност, разположени от противоположните страни на линията на свързване C-C.

Структурата на етиленовата молекула се определя от геометрията на хибридните орбитали, ъгълът на връзката H-C-H е 120°:

По време на образуването на ацетилен, един с-орбитален и един p x-орбитални (орбитали p yИ p z, не участват в образуването на хибриди). Двете получени хибридни орбитали са разположени на една и съща линия, по протежение на оста х:

Припокриването на хибридни орбитали една с друга и с орбиталите на водородните атоми води до образуването на C-C и C-H s-връзки, представени от проста валентна линия:

Две двойки оставащи орбитали p yИ p zприпокриване. На фигурата по-долу цветните стрелки показват, че от чисто пространствени съображения най-вероятното припокриване на орбитали с еднакви индекси х-хИ ох. В резултат на това се образуват две p-връзки около проста s-връзка C-C:

В резултат на това молекулата на ацетилена има пръчковидна форма:

В бензена молекулярният скелет е сглобен от въглеродни атоми, имащи хибридни орбитали, съставени от една с- и две Р-орбитали, подредени във формата на трилъчева звезда (като етилен), Р-орбиталите, които не участват в хибридизацията, са показани полупрозрачни:

Свободните орбитали, т.е. тези, които не съдържат електрони (), също могат да участват в образуването на химични връзки.

Орбитали от високо ниво.

Започвайки от четвъртото електронно ниво, атомите имат пет д-орбитали, запълването им с електрони става в преходни елементи, започвайки със скандий. Четири д-орбиталите имат формата на триизмерни четирилистни детелини, понякога наричани „листа на детелина“, те се различават само по ориентация в пространството, петата д-орбитала е триизмерна осмица, навита в пръстен:

д-Орбиталите могат да образуват хибриди с с-И п-орбитали. Настроики д-орбиталите обикновено се използват при анализа на структурата и спектралните свойства на комплексите на преходните метали.

Започвайки от шестото електронно ниво, атомите имат седем f-орбитали, запълването им с електрони става в атомите на лантанидите и актинидите. f-Орбиталите имат доста сложна конфигурация; фигурата по-долу показва формата на три от седем такива орбитали, които имат еднаква форма и са ориентирани в пространството по различен начин:

f-Орбиталите се използват много рядко, когато се обсъждат свойствата на различни съединения, тъй като електроните, разположени върху тях, практически не участват в химични трансформации.

Перспективи.

На осмото електронно ниво има девет ж-орбитали. Елементите, съдържащи електрони в тези орбитали, трябва да се появят в осмия период, докато те не са налични (елемент № 118, последният елемент от седмия период на периодичната система, се очаква да бъде получен в близко бъдеще; неговият синтез се извършва в Обединения институт за ядрени изследвания в Дубна).

Форма ж-орбиталите, изчислени чрез методите на квантовата химия, са още по-сложни от тези на f-орбитали, областта на най-вероятното местоположение на електрона в този случай изглежда много странно. По-долу е представена една от деветте такива орбитали:

В съвременната химия понятията за атомни и молекулни орбитали се използват широко при описване на структурата и реакционните свойства на съединенията, също и при анализиране на спектрите на различни молекули и в някои случаи за прогнозиране на възможността за протичане на реакции.

Михаил Левицки

ОРБИТАЛЕН

ОРБИТАЛЕН, във ФИЗИКАТА НА ЕЛЕМЕНТАРНИТЕ ЧАСТИЦИ - повърхността на пространството около атомното ЯДРО, в което могат да се движат ЕЛЕКТРОНИ. Има голяма вероятност за наличие на електрон в такава орбитала. Може да съдържа един или два електрона. Орбиталата има форма и енергия, съответстващи на КВАНТОВОТО ЧИСЛО на атома. В молекулите електроните на връзката се движат в комбинираното електрическо поле на всички ядра. В този случай атомните орбитали стават молекулярни орбитали, области, които обграждат две ядра, които имат характерна енергия и съдържат два електрона. Тези молекулни орбитали, образувани от атомни орбитали, представляват ХИМИЧНИ ВРЪЗКИ.

Атомните орбитали описват повърхността около ядрото на атома, което най-вероятно съдържа електрони. Те могат да бъдат наречени още „енергийни облаци“. Съществуването им обяснява химическите връзки. Електроните се съдържат в атомни или молекулярни структури, подредени в енергийни нива. Първото ниво се характеризира само с един вид електрон: има една s-орбитала (A), показана спрямо осите x, y и z на атома. Максималният брой електрони, които могат да бъдат на това енергийно ниво, е два. При втория тип електрони орбиталата има формата на две свързани сфери, разположени симетрично спрямо ядрото. Такава орбитала се нарича p-орбитала (B) V атом три такива орбитали и те са разположени под прав ъгъл една спрямо друга (1,2, 3) Орбиталите, които имат правилна сферична форма, обикновено се обозначават като крушовидни облаци за яснота на картината. Освен това има и пет d-орбитали (C-G), всяка от които се състои от четири крушовидни дяла на две перпендикулярни оси, пресичащи се в G ядрото - комбинация от две p-орбитали.

Научно-технически енциклопедичен речник.

Вижте какво е "ORBITAL" в други речници:

Орбитала: Атомна орбитала. Молекулярна орбитала. Списък със значения на дума или фраза с връзки към подходящи статии. Ако сте дошли тук от... Уикипедия

орбитален- – пълен набор от вълнови функции на електрон, разположен в полето на нуклидите, и осредненото поле на всички други електрони, взаимодействащи със същите нуклиди. Атомна орбитала е позволеното състояние на електрон в атом, геометричен образ,... ... Химически термини

Функция на пространствени променливи на един електрон, която има значението на вълнова функция на електрон, разположен в полето на атомно или молекулно ядро. Ако такава функция отчита спиновия електрон, тогава тя се нарича. спин O. За повече подробности вижте Молекулярна орбитала... ... Физическа енциклопедия

орбитален- орбитален. физически Атомни и молекулярни вълнови функции на електрон, разположен в полето на едно или повече атомни ядра и в средното поле на всички други електрони на въпросния атом или молекула. NES 2000… Исторически речник на галицизмите на руския език

- (от лат. orbita път, писта), вълнова функция, описваща състоянието на един електрон в атом, молекула или друга квантова система. В общия случай квантовата химия. терминът O. се използва за всяка функция, която зависи от променливите x, y, z на един ... ... Химическа енциклопедия

орбитален- orbitalė statusas T sritis chemija apibrėžtis Banginė функция, apibūdinanti elektrono judėjimą atome arba molekulėje; erdvė, kurioje elektrono buvimas labiausiai tikėtinas. атитикменис: англ. орбитален рус. орбитален... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

орбитален- orbitalė statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. орбитален вок. Орбитален, рус. орбитален, f пранц. orbitale, f … Fizikos terminų žodynas

орбитален- орбита ал, и... Руски правописен речник

орбитален- С. Orbit buencha bashkaryl torgan. Orbit buencha hәrәkәt itә torgan yaki shunyn өchen bilgelәngәn… Татарски telen anlatmaly suzlege

орбитален- Функция на пространствени променливи на един електрон, която има значението на вълновата функция на отделен електрон в полето на ефективното атомно или молекулно ядро ​​... Политехнически терминологичен тълковен речник

Книги

• Речник на космическата философия, Секлитова Л.А. , Този речник включва думи и понятия, които най-често се срещат в езотеричната литература. Необходимостта от съставянето му е продиктувана от факта, че много известни... Категория: Здраве и личностно развитие Поредица: Отвъд неизвестното Издател: Амрита-Рус,
• Речник на космическата философия, Секлитова Лариса Александровна, Стрелникова Людмила, Този речник включва думи и понятия, които най-често се срещат в езотеричната литература. Необходимостта от съставянето му е продиктувана от факта, че много известни... Категория:

Красота скрита от нас

За всеки си е красиво.
Цицерон

Кои сме „ние“ и какво крият от нас? Ще говорим за химици, но това важи за всички. По време на нашето пътуване ще ни трябва пътеводител или карта на района, за да стигнем бързо до скритата цел. Химикът винаги има под ръка такова ръководство - това е периодичната таблица. По-нататъшната история ще стане много по-интересна, ако имате тази маса под ръка.

Представете си, че сте срещнали интересен човек, от когото постоянно научавате необичайна и интересна информация. Първоначално ще бъде достатъчно да получите интересна информация, но постепенно ще се заинтересувате от самия човек. Ще искате да знаете неговите вкусове, възгледи, привързаности, как живее.

В нашата статия електроните предоставят информация. Именно те (предимно валентните електрони) определят поведението на веществата, образувани от химични елементи и безкрайното разнообразие от техните химични трансформации. Нека разгледаме условията, при които живеят електроните. Не може да се каже, че някой крие от нас архитектурата на дома си, но малко хора знаят истинската картина.

Природата е отличен дизайнер

Спомнете си, че областта от пространството, заета от електрон в атом или молекула, се нарича орбитала. Не само самата концепция за орбиталите стана позната и дори популярна, но и техният външен вид, който понякога може да се види на кориците на книгите. Например, на корицата на един от училищните учебници по химия има диаграма на водна молекула, а подобен график е диаграма на молекула метан (фиг. 1).

И двата дизайна са много привлекателни. Орбиталите, разположени вътре в тетраедъра, наподобяващи удължени балони, са в контакт със сферичните орбитали.

В молекулата на метана има молекулни орбитали, но ние ще се съсредоточим върху по-прости обекти - атомни орбитали. Къде се намират електроните в изолирани атоми, които не са свързани с химични връзки? След като се възхитихме на показаните снимки, нека оставим емоциите настрана и добавим тъжна бележка - истинските молекулярни орбитали в метана са доста забележимо различни на външен вид от това, което е показано на повечето снимки. Ще поговорим защо това се случи малко по-късно.

Какви са всъщност?

И така, електронът се движи в атом около ядрото не по фиксирана линия - орбита, а заема определена област от пространството. Преди това използваха термина „орбита“, но постепенно стигнаха до идеята, че орбита (от лат. орбита– track) е линия в пространството. Например нашата планета се движи около Слънцето по орбитата на Земята. Областта, в която се намира електрон, не е линия, а определена обемна част от пространството, поради което започва да се използва терминът „орбитала“. Уникалността на понятието „орбитала“ е, че тази част от пространството няма ясни граници, тя е замъглена. Например, електрон във водороден атом (фиг. 2а) може с известна вероятност да бъде или много близо до ядрото, или на значително разстояние (точките, показващи произволното местоположение на електрона, са по-плътни в определен регион) .

Има област от пространството, където е най-вероятно да се намери електронът. За по-голяма яснота, орбиталата е ограничена до повърхност, която очертава областта на пространството, където вероятността за поява на електрон е най-голяма, с други думи, където електронната плътност е максимална (фиг. 2b). Така че орбиталата трябва да се възприема като вид обемно тяло, вътре в което се намира електронът с вероятност от 95%.

Електронната орбитала на водородния атом има сферична (сферична) форма, следователно електронната плътност в посоката на всяка ос на триизмерните координати е еднаква (фиг. 3). Това е т.нар с- орбитален.

Към днешна дата са описани пет вида орбитали: с, стр, г, еИ ж.Имената на първите три са формирани исторически, след това е избран азбучният принцип, така че тези букви не носят никакво скрито значение. Орбиталите съществуват независимо дали съдържат електрони (заети орбитали) или отсъстват (вакантни орбитали). Интересно е, че атомът на всеки елемент, като се започне от водорода и се стигне до последния получен днес елемент, има пълен набор от всички орбитали на всички енергийни нива и запълването им с електрони става с увеличаване на атомния номер на елемента, т.е. заряд на ядрото на атома.

Атомът на всеки химичен елемент съдържа с-орбитали, с по една такава на всяко енергийно ниво орбитали. Всички те са със сферична форма, но тук природата е подготвила изненада. Ако на първо енергийно ниво с-орбитала е твърдо тяло, след това на втората е сфера в сфера, а на третата има три сфери, вложени една в друга (фиг. 4).

По този начин числото на енергийното ниво е кодирано в с-орбитали, използващи броя на вътрешните слоеве (напомнящи скрит баркод). Какъв е физическият смисъл на многослойна структура? Факт е, че в пролуките между сферичните слоеве електроните се появяват изключително рядко, с други думи, в тези пролуки електронната плътност е изключително ниска. По-рано беше казано, че орбиталата е изобразена с помощта на областта на пространството, където електронната плътност е максимална, следователно местата с ниска плътност са празнини.

Между другото, третото енергийно ниво започва да се запълва в елементите на третия период на периодичната система (второто ниво - в елементите на втория период, четвъртото ниво - в елементите на четвъртия период и т.н. ). Така природата е шифровала една и съща информация два пъти - в броя на периодите и в броя на слоевете с-орбитали.

Освен това с-съществуват и орбитали Р-орбитали. Три такива орбитали се появяват за първи път на второ енергийно ниво. На всяко следващо ниво също винаги има три от тях. Както и да се обадят Р-орбитални - както с двулопатни перки, така и с дъмбели; Сега е установено името „обемни осмици“. И трите орбитали са идентични на външен вид, но са ориентирани по различен начин в пространството. Тяхната максимална електронна плътност е концентрирана по една от трите координатни оси - х, гили z(фиг. 5). Точно така изглежда областта на най-вероятното местоположение на електрона, когато той се установи Р-орбитали.

Тези орбитали са изобразени по този начин във всички учебници. Интересно е, че истинската форма на тези орбитали (фиг. 6) се различава значително от общоприетата (виж фиг. 5).

Изобщо не изглеждат като продълговати капки, а по-скоро приличат на кокове или копчета. Именно в тези орбитали се намират електроните в елементите от втория период на периодичната таблица, започвайки с бор и завършвайки с неон. Съвсем логично е тези елементи да се наричат Р- елементи. Обикновено в таблицата на Д. И. Менделеев Р-елементите са подчертани със специален цвят. На третото енергийно ниво също има Р-орбитали, но те са малко по-различни на външен вид от техните „роднини“, живеещи на „втория етаж“ (фиг. 7). U 3 Р-орбитали се появява "пола", целият дизайн е подобен на антична настолна лампа, само привидно двойна. Тези орбитали постепенно се запълват с електрони от алуминий до аргон, те също се наричат Р- елементи. В периодичната таблица те имат точно същия цвят като Р-елементи от втория период.

При преминаване към четвъртото енергийно ниво „полата“ става по-сложна, сега това са типични шампиньони (фиг. 8), но някои учени с развито въображение ги наричат ​​медузи.

Така че, когато преминавате към всяко следващо ниво, не само външният вид се променя с-орбитали, придобиващи многослойна структура, но също Р-орбитали, при които стеснената част се усложнява. Как учените успяха да видят и изобразят такива необичайни форми? Това е резултат от изчисления, извършени с помощта на методи на квантовата химия. Съответствието на изчисленията с реалността се потвърждава от структурни проучвания.

Защо са толкова изкривени? Р-орбитали, изобразени в книгите? Тук няма злонамереност, това е резултат от опростачване. За да се обяснят възникващите взаимодействия, е напълно достатъчно да се посочи пространственото разположение на орбиталите и техните приблизителни очертания. Освен това капкообразната форма е много по-лесна за изобразяване и с нейна помощ е по-удобно да се предаде припокриването на орбиталите, което се получава при образуването на химични връзки. Да вземем един по-близък до нас пример. Когато пишем уравнение на реакцията, ние представяме атомите с помощта на символи на химически елементи. В същото време не изобразяваме всички електрони близо до всеки от тях и не посочваме кой от електроните Р, коя тогава - с. В повечето случаи това не е задължително. Ако възникне такава необходимост, тогава, например, двойка електрони се въвежда в реакционната схема за осъществяване на ковалентна връзка.

Истинските форми на орбиталите обаче са важни и се вземат предвид при сложни изчисления, които отчитат пространствените взаимодействия на орбиталите.

Само редки ентусиасти се заемат с тази трудна работа. Благодарение на техните усилия можем да видим как изглежда всичко в действителност и в същото време да оценим странната фантазия на Природата.

Всеки предпочита своите орбитали

Ако формата Р-орбиталите най-често се обсъждат в учебниците по органична химия, след това следните д-орбиталите са любима тема в координационната химия, която изследва свойствата на комплексните съединения. Тези орбитали се появяват на третото енергийно ниво. На това и всяко следващо ниво винаги има пет от тях. д-Орбиталите започват да се заселват от електрони от елементи от четвъртия период, така наречените преходни елементи (по-често наричани
д-елементи), започвайки със скандий и завършвайки с цинк. В периодичната таблица д-елементите са боядисани в цвят, различен от с- И Р- елементи. Форма д-орбиталите са малко по-сложни от тези на Р-орбитали. Четири д-орбиталите имат еднакъв вид (витло с четири лопатки, по-точно четири капки, разположени на кръст), но са ориентирани в пространството по различен начин. Пето д-орбиталата има необичайна форма - триизмерна осмица, пронизана през тор или, както се казва в ежедневието, поничка. Обикновено в книгите по координационна химия тези орбитали са изобразени, както е показано на фиг. 9.

всичко д-орбиталите обикновено се изобразяват по този начин, независимо от кое ниво принадлежат. Най-интересното е, че показано на фиг. 9, изображението почти не се различава от истинското, но това се отнася само за орбиталите от трето ниво (фиг. 10).

В петия период настъпва пълнене д-орбитали на четвърто енергийно ниво, в резултат се появяват нови д-елементи, от итрий до кадмий, в таблицата са оцветени точно както д-елементи от предходния период. Цялата предишна история ни подготви за факта, че появата 4 д-орбиталите ще бъдат малко по-различни от 3 д-орбитали. Това всъщност е така (фиг. 11). Капковидната форма отстъпва място на гъбовидна и се появява нещо като допълнителни крака. За подобни 5 д-орбиталите започват да утаяват електрони д-елементи от шестия период, т.е. в лантан и по-нататък от хафний до живак.

Сега вече не изглежда изненадващо, че д-орбиталите на петото енергийно ниво имат още по-сложна форма (фиг. 12).

Ако е необходимо само едно тяхно опростено изображение и чисто качествено обсъждане на формата, тогава можем условно да приемем, че всички разгледани д-орбиталите имат формата, показана на фиг. 10. Имаме приятна възможност да видим как изглежда всичко в действителност, благодарение на усилията на учен от университета в Шефилд Марк Уинтър.

Не всички го видяха

На четвъртото енергийно ниво се появяват седем е-орбитали, като на всяко следващо ниво те винаги са седем. Те започват да се заселват от електрони от елементи, наречени лантаниди (наричани още f-елементи), започвайки с церий и завършвайки с лутеций. Техните клетки в периодичната система също са оцветени в специален цвят. Ако всички гореспоменати орбитали могат да се видят под една или друга форма в различни книги, тогава външният вид е-Малко хора са запознати с орбиталите. Междувременно, чисто външно, те напълно заслужават не само да се появят на страниците на книгата, но и да украсят корицата, но преценете сами (фиг. 13).

В следващия период от периодичната таблица естествено се появяват нови. f-елементите, от торий до лауренций, имат формата е-орбитали е още по-необичайно, между два големи тора (фиг. 14).

Изглежда, че пространственото въображение на природата трябва да бъде изчерпано, но тогава ни очакват още по-сложни дизайни.

Най-добрата фантазия на природата

Отзад е-орбиталите следват девет g-орбитали. Те се появяват на следващото (пето) енергийно ниво, т.е. в пълно съответствие с установения ред - всяко ново ниво носи със себе си нов тип орбитали. По-рано беше казано, че всеки атом има пълен набор от всички орбитали, като се започне с водорода. Но за да може един електрон да се установи на определена горна орбитала, всички предишни орбитали трябва да бъдат запълнени (по-подробно в: Химия, 2000, № 22. Химични елементи. Постижения и перспективи). Все още не можем да назовем онези елементи, които съдържат електрони g-орбитали, такива елементи все още не са получени. Изчисленията показват, че за първи път електрон може да бъде поставен на тази орбитала при химичен елемент № 125. Чакането обаче най-вероятно не е толкова дълго, вече е получен елемент № 118. Серията ще започне с елемент № 125 g-елементи (всеки следващ ще добавя по един електрон на g-орбитали), тези елементи ще бъдат фундаментално нови; нямат аналози в цялата предишна периодична таблица. Те не са толкова лесни за получаване, но ще бъде още по-трудно да се изследват техните свойства, тъй като те най-вероятно ще бъдат краткотрайни радиоактивни елементи. Без да чакаме момента, в който са получени, вече можем да се възхищаваме на външния вид g-орбитали (фиг. 15).

Трудно е дори да си представим, че природата е предоставила на електроните толкова странни области на тяхното най-вероятно местоположение. Не е лесно да се намерят реални изображения, с които да се сравнят тези орбитали. Осем необичайни конгломерата, наподобяващи гроздове от грах и кафеени зърна, и всичко това е покрито от космически кораб, сглобен от пет тора с различни размери, пробити от две капковидни тела. Всички тези девет орбитали са разположени по неразбираем начин около едно атомно ядро, без да си пречат една на друга. Въображението ни не е в състояние да си представи подобно нещо, защото тук важат други правила – законите на квантовата механика. Разбира се, въображението ни губи в конкуренцията с такава реалност.

Не точно, но разбираемо

Нека се върнем отново към метановата молекула CH4, показана от дясната страна на фиг. 1. Въглеродният атом, подобно на всички следващи елементи, има четири орбитали на второ енергийно ниво (една си три Р). Освен това въглеродът има четири валентни електрона, два от които са разположени на с-орбитали и още един електрон на две Р-орбитали (фиг. 16, долу вляво), трети Р-въглеродната орбитала не е заета.

В момента, когато въглероден атом образува четири химични връзки с четири водородни атома, и четирите орбитали изглежда се сливат, образувайки хибридни орбитали (фиг. 16, горе вдясно), които са оформени като асиметрични триизмерни осмици (голяма капка и малка опашка). За да посочат от какво са направени хибридните орбитали, те обикновено пишат -
sp 3-орбитали, т.е. получени от един с-и три Р-орбитали (колкото орбитали участват в образуването на хибриди, толкова се получават хибридни орбитали).

Такива снимки могат да се видят във всички учебници по органична химия, а истинският вид на хибридите е показан на фиг. 17. За да се покаже по-ясно формата им, хибридните орбитали бяха изобразени на известно разстояние една от друга (фиг. 17, вляво). За да видите цялата картина в действителност, тези орбитали трябва да се комбинират в пространството, така че четирите бели точки да съвпаднат (там се намира въглеродното ядро). Резултатът е показан на фиг. 17, точно.

Освен това тези четири орбитали, насочени към върховете на въображаем тетраедър, се припокриват със сферичните орбитали на четири водородни атома, което съответства на образуването на четири химични връзки (виж фиг. 1). Тук възникват чисто графични трудности - ако доближите четири сфери до фигура, състояща се от „слепващи се“ сферични обеми (вижте фиг. 17, вдясно), тогава няма да можете да различите нищо в такава картина. Всичко изглежда много по-ясно, ако хибридните орбитали са умишлено разтегнати (виж фиг. 16). По този начин истинската форма на орбиталите непрекъснато се изкривява в името на яснотата и е трудно да се възрази нещо тук, обаче, за любителите на точността на фиг. 17 ще ви помогне мислено да си представите как изглежда всичко в действителност.

Орбитали – извор на творчество

Ако химиците обикновено не отиват по-далеч в своите разсъждения д-орбитали, е-И g-те се интересуват по-малко от орбиталите, тогава хората от други професии бързо обърнаха внимание на последните две групи, главно поради тяхната изключителна архитектурна привлекателност. Художници-приложници, дизайнери, конструктори и декоратори оцениха по достойнство въображението на природата, което предлага много нестандартни мотиви, надминаващи творческата измислица. Майсторите на ювелирното изкуство намериха такива предмети за много интересни за създаване на съвременни бижута въз основа на тях (фиг. 18).

Художниците, създаващи образци на мебели, обувки и домакински уреди, не могат да пренебрегнат тези популярни изображения. Сега орбиталите могат да се видят и на градски емблеми, д-орбиталите са представени на една от пацифистките емблеми и Р-орбиталите отдавна служат като модел при производството на пясъчни часовници (фиг. 19).

Орбиталният дизайн изглежда особено добре в архитектурата, където украсява подпори на мостове и телевизионни кули. Между другото, формулярите g-орбиталите учудващо точно отговарят на идеалните параметри на релейните антени (фиг. 20).

Цялото това артистично движение, наречено орбитален дизайн, допълнително привлича купувачи и клиенти с примамливата звучност на новия термин.

Какво е сериозно и какво с усмивка?

Появата на всички показани орбитали, въпреки донякъде фантастичния им характер, е резултат от прецизни изчисления и е напълно вярна. Даваме възможност на читателите сами да преценят колко сериозно е направлението в художественото творчество с общото наименование „орбитален дизайн“. В химията е доста обичайно да се намери комбинация от сериозни и хумористични теми, представени заедно. В предишните години априлските броеве на вестник „Химия“ редовно публикуваха различни материали от този род. От тези публикации може да се научи: как да се предскаже съдбата с помощта на периодичната таблица, какви периодични таблици съществуват за фармацевти, гастрономи и любители на различни напитки, възможно ли е да се използва полимерна химия, за да се направи процедурата по приемане на лекарства изключително приятна, как да станете известни в химията, характеристики на живата комуникация между химици и много други.