V chemii a fyzice jsou atomové orbitaly funkcí zvanou vlnová funkce, která popisuje vlastnosti charakteristické pro ne více než dva elektrony v blízkosti atomového jádra nebo systému jader, jako je tomu v molekule. Orbital je často zobrazován jako trojrozměrná oblast, ve které je 95procentní šance na nalezení elektronu.
Orbitály a oběžné dráhy
Když se planeta pohybuje kolem Slunce, sleduje dráhu zvanou orbita. Podobně lze atom reprezentovat jako elektrony obíhající po drahách kolem jádra. Ve skutečnosti jsou věci jinak a elektrony jsou v oblastech vesmíru známých jako atomové orbitaly. Chemie se spokojí se zjednodušeným modelem atomu pro výpočet Schrödingerovy vlnové rovnice a podle toho určí možné stavy elektronu.
Orbity a orbitaly znějí podobně, ale mají zcela odlišný význam. Je nesmírně důležité pochopit rozdíl mezi nimi.
Nelze zobrazit oběžné dráhy
Abyste mohli vykreslit trajektorii něčeho, musíte přesně vědět, kde se předmět nacházíse nachází a být schopen za chvíli určit, kde bude. To je pro elektron nemožné.
Podle Heisenbergova principu neurčitosti není možné přesně vědět, kde se částice v tuto chvíli nachází a kde bude později. (Ve skutečnosti princip říká, že je nemožné určit současně a s absolutní přesností jeho hybnost a hybnost).
Proto je nemožné vybudovat orbitu elektronu kolem jádra. Je to velký problém? Ne. Pokud něco není možné, mělo by to být přijato a měly by se najít způsoby, jak to obejít.
Vodíkový elektron – 1s-orbital
Předpokládejme, že existuje jeden atom vodíku a v určitém okamžiku je poloha jednoho elektronu graficky otištěna. Krátce nato se postup opakuje a pozorovatel zjistí, že částice je v nové poloze. Jak se dostala z prvního místa na druhé, není známo.
Pokud budete pokračovat tímto způsobem, postupně vytvoříte jakousi 3D mapu místa, kde se částice pravděpodobně nachází.
V případě atomu vodíku může být elektron kdekoli ve sférickém prostoru obklopujícím jádro. Diagram ukazuje průřez tohoto sférického prostoru.
95 % času (nebo jakékoli jiné procento, protože pouze velikost vesmíru může poskytnout stoprocentní jistotu) se elektron bude nacházet v poměrně snadno definované oblasti prostoru, dostatečně blízko k jádru. Taková oblast se nazývá orbital. Atomové orbitaly jsouoblasti prostoru, kde existuje elektron.
Co tam dělá? Nevíme, nemůžeme vědět, a proto tento problém jednoduše ignorujeme! Můžeme pouze říci, že pokud je elektron na určitém orbitálu, pak bude mít určitou energii.
Každý orbital má jméno.
Prostor obsazený vodíkovým elektronem se nazývá 1s-orbital. Jednotka zde znamená, že částice je na energetické úrovni nejblíže jádru. S vypovídá o tvaru oběžné dráhy. S-orbitaly jsou sféricky symetrické kolem jádra - alespoň jako dutá koule z poměrně hustého materiálu s jádrem ve svém středu.
2s
Další orbitál je 2s. Je to podobné jako 1s, kromě toho, že nejpravděpodobnější umístění elektronu je dále od jádra. Toto je orbitál druhé energetické úrovně.
Pokud se podíváte pozorně, všimnete si, že blíže k jádru je další oblast s mírně vyšší elektronovou hustotou („hustota“je další způsob, jak ukázat pravděpodobnost, že se tato částice nachází na určitém místě).
2s elektrony (a 3s, 4s atd.) tráví část svého času mnohem blíže středu atomu, než by se dalo očekávat. Výsledkem toho je mírný pokles jejich energie v s-orbitalech. Čím blíže se elektrony dostanou k jádru, tím nižší bude jejich energie.
3s-, 4s-orbitaly (a tak dále) se dostávají dále od středu atomu.
P-orbitaly
Ne všechny elektrony žijí v orbitalech s (ve skutečnosti jen velmi málo z nich žije). Na první energetické úrovni je pro ně jediná dostupná lokace 1s, na druhé se přidávají 2s a 2p.
Orbitaly tohoto typu jsou spíše 2 identické balónky, které jsou navzájem spojeny v jádru. Diagram ukazuje průřez 3-rozměrnou oblastí prostoru. Orbital opět ukazuje pouze oblast s 95procentní pravděpodobností nalezení jediného elektronu.
Pokud si představíme vodorovnou rovinu, která prochází jádrem tak, že jedna část oběžné dráhy bude nad rovinou a druhá pod ní, pak je nulová pravděpodobnost nalezení elektronu v této rovině. Jak se tedy částice dostane z jedné části do druhé, když nikdy nemůže projít rovinou jádra? Je to kvůli jeho vlnové povaze.
Na rozdíl od s- má p-orbital určitou směrovost.
Na jakékoli energetické úrovni můžete mít tři absolutně ekvivalentní p-orbitaly umístěné navzájem v pravém úhlu. Jsou libovolně označeny symboly px, py a pz. To je přijímáno pro pohodlí - to, co je myšleno směry X, Y nebo Z, se neustále mění, protože se atom pohybuje náhodně v prostoru.
P-orbitaly na druhé energetické úrovni se nazývají 2px, 2py a 2pz. Podobné orbitaly jsou na následujících - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz a tak dále.
Všechny úrovně, kromě první, mají p-orbitaly. Na vyšších úrovních jsou „okvětní lístky“více protáhlé, s nejpravděpodobnějším umístěním elektronu ve větší vzdálenosti od jádra.
d- a f-orbitaly
Kromě orbitalů s a p jsou pro elektrony na vyšších energetických hladinách k dispozici další dvě sady orbitalů. Na třetím může být pět d-orbitalů (se složitými tvary a názvy), stejně jako 3s- a 3p-orbitaly (3px, 3py, 3pz). Zde je celkem 9.
Na čtvrtém se spolu s 4s a 4p a 4d objeví 7 dalších f-orbitalů – celkem 16, dostupných také na všech vyšších energetických úrovních.
Umístění elektronů v orbitalech
Atom si lze představit jako velmi efektní dům (jako obrácená pyramida) s jádrem žijícím v přízemí a různými místnostmi v horních patrech obsazenými elektrony:
- v prvním patře je pouze 1 pokoj (1s);
- ve druhé místnosti jsou již 4 (2s, 2px, 2py a 2pz);
- ve třetím patře je 9 pokojů (jeden 3s, tři 3p a pět 3d orbitálů) a tak dále.
Pokoje ale nejsou moc velké. Každý z nich pojme pouze 2 elektrony.
Vhodný způsob, jak ukázat atomové dráhy, na kterých se tyto částice nacházejí, je nakreslit „kvantové buňky“.
Kvantové buňky
JadernáOrbitaly mohou být reprezentovány jako čtverce s elektrony v nich znázorněnými jako šipky. Často se používají šipky nahoru a dolů, aby ukázaly, že tyto částice jsou odlišné.
Potřeba různých elektronů v atomu je důsledkem kvantové teorie. Pokud jsou na různých orbitalech, je to v pořádku, ale pokud jsou na stejné oběžné dráze, pak mezi nimi musí být nějaký jemný rozdíl. Kvantová teorie uděluje částicím vlastnost zvanou "spin", což je to, na co odkazuje směr šipek.
Orbital
1s se dvěma elektrony je zobrazen jako čtverec se dvěma šipkami směřujícími nahoru a dolů, ale může být zapsán ještě rychleji jako 1s2. Zní to „jedna s dvě“, nikoli „jedna s na druhou“. Čísla v těchto zápisech by se neměla zaměňovat. První je energetická hladina a druhá je počet částic na orbital.
Hybridizace
V chemii je hybridizace koncept smíchání atomových orbitalů do nových hybridních orbitalů schopných spárovat elektrony za vzniku chemických vazeb. Sp hybridizace vysvětluje chemické vazby sloučenin, jako jsou alkyny. V tomto modelu se atomové orbitaly uhlíku 2s a 2p smíchají a vytvoří dva orbitaly sp. Acetylen C2H2 se skládá ze sp-sp propletení dvou atomů uhlíku s vytvořením σ-vazby a dvou dalších π-vazeb.
Atomové orbitaly uhlíku v nasycených uhlovodících majíidentické hybridní sp3-orbitaly ve tvaru činky, jejichž jedna část je mnohem větší než druhá.
Sp2-hybridizace je podobná předchozím a vzniká smícháním jednoho s a dvou p-orbitalů. Například v molekule ethylenu se vytvoří tři sp2- a jeden p-orbital.
Atomové orbitaly: princip plnění
Představíme-li si přechody z jednoho atomu na druhý v periodické tabulce chemických prvků, lze vytvořit elektronovou strukturu dalšího atomu umístěním další částice na další dostupnou oběžnou dráhu.
Elektrony, než naplní vyšší energetické hladiny, obsadí ty nižší umístěné blíže k jádru. Tam, kde je na výběr, vyplňují orbitaly jednotlivě.
Tento příkaz k vyplnění je známý jako Hundovo pravidlo. Platí pouze tehdy, když atomové orbitaly mají stejné energie, a také pomáhá minimalizovat odpuzování mezi elektrony, čímž je atom stabilnější.
Všimněte si, že s-orbital má vždy o něco méně energie než p orbital na stejné energetické úrovni, takže první se vždy zaplní před druhým.
Co je opravdu divné, je poloha 3D orbitalů. Jsou na vyšší úrovni než 4s, a tak se nejdříve zaplní 4s orbitaly, následované všemi 3d a 4p orbitaly.
Stejný zmatek nastává na vyšších úrovních s více vazbami mezi nimi. Proto například atomové orbitaly 4f nejsou zaplněny, dokud nejsou všechna místa na6 s.
Znalost pořadí plnění je zásadní pro pochopení toho, jak popsat elektronické struktury.
