Orbital atomic

Un orbital atomic este o funcție de undă cu un electron obținută prin rezolvarea ecuației Schrödinger pentru un atom dat [1] ; este dat: principal n , orbital l și magnetic m - numere cuantice .

Un atom din fiecare element are un set complet de toți orbitalii la toate nivelurile electronice. Orbitalii există indiferent dacă un electron se află sau nu pe ei, umplerea lor cu electroni are loc pe măsură ce numărul de serie crește, adică sarcina nucleului și, în consecință, numărul de electroni.

Funcția de undă este calculată conform ecuației de undă Schrödinger în cadrul aproximării cu un electron ( metoda Hartree-Fock ) ca funcție de undă a unui electron într-un câmp autonom creat de nucleul atomic cu toți ceilalți electroni de atomul.

E. Schrodinger însuși a considerat un electron dintr-un atom ca un nor încărcat negativ, a cărui densitate este proporțională cu pătratul valorii funcției de undă în punctul corespunzător al atomului. În această formă, conceptul de nor de electroni a fost perceput și în chimia teoretică.

Cu toate acestea, majoritatea fizicienilor nu împărtășeau convingerile lui Schrödinger: nu a existat nicio dovadă a existenței electronului ca „nor încărcat negativ”. Max Born a fundamentat interpretarea probabilistică a pătratului funcției de undă. În 1950, E. Schrödinger în articolul „Ce este o particulă elementară?” a fost nevoit să fie de acord cu argumentele lui M. Born, căruia i s-a acordat Premiul Nobel pentru Fizică în 1954 cu formularea „Pentru cercetări fundamentale în domeniul mecanicii cuantice, în special pentru interpretarea statistică a funcției de undă ”.

Numele „orbital” (și nu orbită ) reflectă reprezentarea geometrică a stărilor staționare ale unui electron dintr-un atom ; un astfel de nume special reflectă faptul că starea unui electron într-un atom este descrisă de legile mecanicii cuantice și diferă de mișcarea clasică de-a lungul unei traiectorii . Un set de orbitali atomici cu aceeași valoare a numărului cuantic principal n formează o înveliș de electroni .

Numerele cuantice și nomenclatura orbitală

Numărul cuantic principal n poate lua orice valori întregi pozitive, începând de la unu ( n = 1,2,3, ... ∞) și determină energia totală a unui electron într-un orbital dat (nivel de energie):

E=-(1/2){\frac {me^{4}}{n^{2}{\hbar ^{2}}}}

Energia pentru n corespunde energiei de ionizare cu un electron pentru un nivel de energie dat.

Numărul cuantic orbital (numit și număr cuantic azimutal sau suplimentar) determină momentul unghiular al electronului și poate lua valori întregi de la 0 la n - 1 ( l = 0,1, ..., n - 1). Momentul unghiular în acest caz este dat de relația

L=\hbar {\sqrt {l(l+1))}

Orbitalii atomici sunt de obicei numiți în funcție de denumirea literei numărului lor orbital:

Valoarea numărului cuantic orbital	0	unu	2	3	patru	5
Desemnarea literei	s	p	d	f	g	h

Denumirile de litere ale orbitalilor atomici provin din descrierea liniilor spectrale din spectrele atomice: s ( sharp ) - serie ascuțită în spectre atomice, p ( principal ) - principal, d ( difuz ) - difuz, f ( fundamental ) - fundamental.

Numărul cuantic magnetic m l determină proiecția momentului unghiular orbital pe direcția câmpului magnetic și poate lua valori întregi în intervalul de la -l la l , inclusiv 0 ( m l = -l … 0 … l ) :

M_{z}=\hbar m_{l}

În literatură, orbitalii sunt notați printr-o combinație de numere cuantice, numărul cuantic principal fiind notat cu un număr, numărul cuantic orbital cu litera corespunzătoare (vezi tabelul de mai sus) și numărul cuantic magnetic printr-o expresie în indice care arată proiecția orbitalul pe axele carteziene x, y, z, de exemplu 2p x , 3d xy , 4f z(x 2 -y 2 ) . Pentru orbitalii învelișului exterior al electronilor, adică în cazul descrierii electronilor de valență, numărul cuantic principal din înregistrarea orbitalului, de regulă, este omis.

Reprezentare geometrică

Reprezentarea geometrică a unui orbital atomic este o regiune a spațiului delimitată de o suprafață de densitate egală (suprafață de echidensitate) de probabilitate sau sarcină . Densitatea de probabilitate pe suprafața limită este aleasă în funcție de problema care se rezolvă, dar de obicei în așa fel încât probabilitatea de a găsi un electron într-o zonă limitată să fie în intervalul 0,9-0,99.

Deoarece energia unui electron este determinată de interacțiunea Coulomb și, în consecință, de distanța de la nucleu, numărul cuantic principal n determină dimensiunea orbitalului.

Forma și simetria orbitalului sunt date de numerele cuantice orbitale l și m : orbitalii s sunt simetrici sferic, orbitalii p , d și f au o formă mai complexă, determinată de părțile unghiulare ale funcției de undă - unghiular. funcții. Funcțiile unghiulare Y lm (φ , θ) - funcții proprii ale operatorului moment unghiular pătrat L², în funcție de numerele cuantice l și m (vezi Funcții sferice ), sunt complexe și descriu în coordonate sferice (φ , θ) dependența unghiulară a probabilitatea de a găsi un electron în câmpul central al atomului. Combinația liniară a acestor funcții determină poziția orbitalilor în raport cu axele de coordonate carteziene.

Pentru combinațiile liniare Y lm se acceptă următoarea notație:

Valoarea numărului cuantic orbital	0	unu	unu	unu	2	2	2	2	2
Valoarea numărului cuantic magnetic	0	0	al 2-lea	$\pm 1$	0	$\pm 1$	$\pm 1$	$\pm2$	$\pm2$
Combinație liniară	$-$	$-$	${{1 \over {i{\sqrt 2}}}(Y_{{11}}-Y_{{{1-1}})}$	${{1 \over {{\sqrt 2}}}(Y_{{11}}+Y_{{{1-1}})}$	$-$	${{1 \over {{\sqrt 2}}}(Y_{{21}}+Y_{{2-1}})}$	${{1 \over {i{\sqrt 2}}}(Y_{{21}}-Y_{{{2-1}})}$	${{1 \over {{\sqrt 2}}}(Y_{{22}}+Y_{{2-2}})}$	${{1 \over {i{\sqrt 2}}}(Y_{{22}}-Y_{{{2-2}})}$
Desemnare	$s$	$p_{z}$	$p_{y}$	$p_{x}$	$d_{z^{2)}$	$d_{xz)$	$d_{yz)$	$d_{x^{2}-y^{2}}$	$d_{xy)$

Un factor suplimentar, luat uneori în considerare în reprezentarea geometrică, este semnul funcției de undă (faza). Acest factor este esențial pentru orbitalii cu un număr cuantic orbital l care este diferit de zero, adică nu au simetrie sferică: semnul funcției de undă a „petalelor” lor aflate pe părțile opuse ale planului nodal este opus. Semnul funcției de undă este luat în considerare în metoda orbitalelor moleculare MO LCAO ( orbitalii moleculari ca o combinație liniară de orbitali atomici). Astăzi, știința cunoaște ecuații matematice care descriu figuri geometrice reprezentând orbitali (dependența coordonatei electronilor de timp). Acestea sunt ecuațiile oscilațiilor armonice care reflectă rotația particulelor în toate gradele de libertate disponibile - rotația orbitală, spin, ... Hibridizarea orbitalilor este reprezentată ca interferență a oscilațiilor.

Umplerea orbitalilor cu electroni și configurația electronică a atomului

Fiecare orbital poate avea cel mult doi electroni, diferind prin valoarea numărului cuantic de spin s ( spin ). Această interdicție este determinată de principiul Pauli . Ordinea în care orbitalii de același nivel sunt umpluți cu electroni (orbitalii cu aceeași valoare a numărului cuantic principal n ) este determinată de regula Klechkovsky , ordinea în care orbitalii din același subnivel sunt umpluți cu electroni (orbitalii cu aceleași valori ale numărului cuantic principal n și ale numărului cuantic orbital l ) sunt determinate de regula Hund .

O scurtă înregistrare a distribuției electronilor într- un atom pe diferite învelișuri de electroni ale unui atom , ținând cont de numerele lor cuantice principale și orbitale n și l , se numește configurația electronică a atomului .

Vezi și

Note