Что представляет собой электронная орбиталь кратко

Обновлено: 05.07.2024

ОРБИТАЛЬ – область наиболее вероятного местонахождения электрона в атоме (атомная орбиталь) или в молекуле (молекулярная орбиталь).

Электрон движется в атоме вокруг ядра не по фиксированной линии-орбите, а занимает некоторую область пространства. Например, электрон в атоме водорода может с определенной вероятностью оказаться либо весьма близко к ядру, либо на значительном удалении, однако существует определенная область, где его появление наиболее вероятно. Графически орбиталь изображают в виде поверхности, очерчивающей область, где вероятность появления электрона наибольшая, иначе говоря, электронная плотность максимальна. У атома водорода орбиталь электрона имеет сферическую (шаровую) форму:

К настоящему моменту описано пять типов орбиталей: s, p, d, f и g. Названия первых трех сложились исторически, далее был выбран алфавитный принцип. Формы орбиталей вычислены методами квантовой химии.

Орбитали существуют независимо от того, находится на них электрон (занятые орбитали), или отсутствует (вакантные орбитали). Атом каждого элемента, начиная с водорода и заканчивая последним полученным на сегодня элементом, имеет полный набор всех орбиталей на всех электронных уровнях. Их заполнение электронами происходит по мере увеличения порядкового номера, то есть, заряда ядра.

s-Орбитали, как было показано выше, имеют сферическую форму и, следовательно, одинаковую электронную плотность в направлении каждой оси трехмерных координат:

На первом электронном уровне каждого атома находится только одна s-орбиталь. Начиная со второго электронного уровня помимо s-орбитали появляются также три р-орбитали. Они имеют форму объемных восьмерок, именно так выглядит область наиболее вероятного местонахождения р-электрона в районе атомного ядра. Каждая р-орбиталь расположена вдоль одной из трех взаимоперпендикулярных осей, в соответствии с этим в названии р-орбитали указывают с помощью соответствующего индекса ту ось, вдоль которой располагается ее максимальная электронная плотность:

В современной химии орбиталь – определяющее понятие, позволяющее рассматривать процессы образования химических связей и анализировать их свойства, при этом внимание сосредотачивают на орбиталях тех электронов, которые участвуют в образовании химических связей, то есть, валентных электронов, обычно это электроны последнего уровня.

У атома углерода в исходном состоянии на втором (последнем) электронном уровне находится два электрона на s-орбитали (отмечены синим цветом) и по одному электрону на двух р-орбиталях (отмечены красным и желтым цветом), третья орбиталь – р_z-вакантная:

Гибридизация.

В том случае, когда атом углерода участвует в образовании насыщенных соединений (не содержащих кратных связей), одна s-орбиталь и три р-орбитали объединяются, образуя новые орбитали, представляющие собой гибриды исходных орбиталей (процесс называют гибридизацией). Количество гибридных орбиталей всегда равно количеству исходных, в данном случае, четыре. Получившиеся орбитали-гибриды одинаковы по форме и внешне напоминают асимметричные объемные восьмерки:

Вся конструкция оказывается как бы вписанной в правильный тетраэдр – призма, собранная из правильных треугольников. При этом орбитали-гибриды располагаются вдоль осей такого тетраэдра, угол между любыми двумя осями – 109°. Четыре валентных электрона углерода располагаются на этих гибридных орбиталях:

Участие орбиталей в образовании простых химических связей.

Свойства электронов, разместившихся на четырех одинаковых орбиталях, эквивалентны, соответственно, будут эквивалентны химические связи, образованные с участием этих электронов при взаимодействии с атомами одного типа.

Взаимодействие атома углерода с четырьмя атомами водорода сопровождается взаимоперекрыванием вытянутых гибридных орбиталей углерода со сферическими орбиталями водородов. На каждой орбитали находится по одному электрону, в результате перекрывания каждая пара электронов начинает перемещаться по объединенной – молекулярной орбитали.

Гибридизация приводит лишь к изменению формы орбиталей внутри одного атома, а перекрывание орбиталей двух атомов (гибридных или обычных) приводит к образованию химической связи между ними. В данном случае (см. рисунок, помещенный ниже) максимальная электронная плотность располагается вдоль линии, связывающей два атома. Такую связь называют s -связью.

В традиционном написании структуры образовавшегося метана вместо перекрывающихся орбиталей используют символ валентной черты. Для объемного изображения структуры валентность, направленную от плоскости чертежа к зрителю показывают в виде сплошной клиновидной линии, а валентность, уходящую за плоскость рисунка – в виде штриховой клиновидной линии:

Таким образом, структура молекулы метана определяется геометрией гибридных орбиталей углерода:

Образование молекулы этана аналогично показанному выше процессу, отличие состоит в том, что при взаимоперекрывании гибридных орбиталей двух атомов углерода происходит образование С-С – связи:

Геометрия молекулы этана напоминает метан, валентные углы 109°, что определяется пространственным расположением гибридных орбиталей углерода:

Участие орбиталей в образовании кратных химических связей.

Молекула этилена образована также с участием орбиталей-гибридов, однако в гибридизации участвуют одна s-орбиталь и только две р-орбитали (р_х и р_у), третья орбиталь – p_z, направленная вдоль оси z, в образовании гибридов не участвует. Из исходных трех орбиталей возникают три гибридных орбитали, которые располагаются в одной плоскости, образуя трехлучевую звезду, углы между осями – 120°:

Два атома углерода присоединяют четыре атома водорода, а также соединяются между собой, образуя s -связь С-С:

Две орбитали p_z, не участвовавшие в гибридизации, взаимоперекрываются, их геометрия такова, что перекрывание происходит не по линии связи С-С, а выше и ниже ее. В результате образуются две области с повышенной электронной плотностью, где помещаются два электрона (отмечены синим и красным цветом), участвующие в образовании этой связи. Таким образом, образуется одна молекулярная орбиталь, состоящая из двух областей, разделенных в пространстве. Связь, у которой максимальная электронная плотность расположена вне линии, связывающей два атома, называют p -связью:

Вторая валентная черта в обозначении двойной связи, широко используемая для изображения ненасыщенных соединений уже не одно столетие, в современном понимании подразумевает наличие двух областей с повышенной электронной плотностью, расположенных по разные стороны линии связи С-С.

Структура молекулы этилена задана геометрией гибридных орбиталей, валентный угол Н-С-Н – 120°:

При образовании ацетилена в гибридизации участвует одна одна s-орбиталь и одна р_x-орбиталь (орбитали p_yи p_z, в образовании гибридов не участвуют). Две образовавшиеся гибридные орбитали располагаются на одной линии, вдоль оси х:

Взаимоперекрывание орбиталей-гибридов друг с другом и с орбиталями атомов водорода приводит к образованию s -связей С-С и С-Н, изображаемых с помощью простой валентной черты:

Две пары оставшихся орбиталей p_yи p_z взаимоперекрываются. На рисунке, приведенном ниже, цветными стрелками показано, что из чисто пространственных соображений наиболее вероятно перекрывание орбиталей с одинаковыми индексами х-х и у-у. В результате образуются две p -связи, окружающие простую s -связь С-С:

В итоге молекула ацетилена имеет палочкообразную форму:

У бензола остов молекулы собран из атомов углерода, имеющих гибридные орбитали, составленные из одной s- и двух р-орбиталей, расположенные в форме трехлучевой звезды (как у этилена), р-орбитали, не участвующие в гибридизации, показаны полупрозрачными:

Шесть оставшихся р-орбиталей взаимоперекрываются, образуя молекулярную орбиталь в виде двух кольцевых областей, над и под плоскостью бензольного цикла:

Возникает единая замкнутая электронная система (см. также АРОМАТИЧНОСТЬ).

В образовании химических связей могут также участвовать вакантные, то есть, не содержащие электронов орбитали (см. также ТРЕХЦЕНТРОВЫЕ СВЯЗИ).

Орбитали высоких уровней.

d-Орбитали могут образовывать гибриды с s- и p-орбиталями. Параметры d-орбиталей обычно используют при анализе строения и спектральных свойств в комплексах переходных металлов.

Начиная с шестого электронного уровня, у атомов появляются семь f-орбиталей, их заполнение электронами происходит в атомах лантаноидов и актиноидов. f-Орбитали имеют довольно сложную конфигурацию, ниже на рисунке показана форма трех из семи таких орбиталей, имеющих одинаковую форму и ориентированных в пространстве различным образом:

f-Орбитали весьма редко используют при обсуждении свойств различных соединений, поскольку расположенные на них электроны практически не принимают участия в химических превращениях..

Перспективы.

На восьмом электронном уровне находится девять g-орбиталей. Элементы, содержащие электроны на этих орбиталях, должны появится в восьмом периоде, пока они недоступны (в ближайшее время ожидается получение элемента № 118, последнего элемента седьмого периода Периодической системы, его синтез проводят в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне).

Форма g-орбиталей, вычисленная методами квантовой химии, еще более сложная, чем у f-орбиталей, область наиболее вероятного местонахождения электрона в данном случае выглядит весьма причудливо. Ниже показан внешний вид одной из девяти таких орбиталей:

В современной химии представления об атомных и молекулярных орбиталях широко используют при описании строения и реакционных свойств соединений, также при анализе спектров различных молекул, в некоторых случаях – для прогнозирования возможности протекания реакций.

№5. Электронная оболочка атома - это совокупность всех электронов атома. Электронная оболочка состоит из электронных слоев, или энергетических уровней. Энергетический уровень - это группа электронов, которые обладают близкими значениями энергии, а поэтому движутся на равном расстоянии от ядра.

Энергетический уровень делится на подуровни, которые, в свою очередь, состоят из орбиталей. Орбиталь - пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона. Различают орбитали четырех форм: s-, p-, d- и f- орбитали.

Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.

Содержание

Квантовые числа и номенклатура орбиталей

Главное квантовое число n может принимать любые целые положительные значения, начиная с единицы (n = 1,2,3, … ∞) и определяет общую энергию электрона на данной орбитали (энергетический уровень) :

Орбитальное квантовое число (называемое также азимутальным или дополнительным квантовым числом) определяет момент импульса электрона и может принимать целые значения от 0 до n - 1 (l = 0,1, …, n - 1). Момент импульса при этом задается соотношением

Магнитное квантовое число m_l определяет проекцию орбитального момента импульса на направление магнитного поля и может принимать целые значения в диапазоне от -l до l, включая 0 (m_l = -l … 0 … l):

В литературе орбитали обозначают комбинацией квантовых чисел, при этом главное квантовое число обозначают цифрой, орбитальное квантовое число - соответствующей буквой (см. таблицу ниже) и магнитное квантовое число - выражением в нижеем индексе, показывающем проекцию орбитали на декартовы оси x, y, z, например 2p_x, 3d_xy, 4f_{z(x 2 -y 2 )}. Для орбиталей внешней электронной оболочки, то есть в случае описания валентных электронов, главное квантовое число в записи орбитали, как правило, опускают.

Геометрическое представление

Геометрическое представление атомной орбитали - область пространства, ограниченная поверхностью равной плотности (эквиденситной поверхностью) вероятности или заряда. Плотность вероятности на граничной поверхности выбирают исходя из решаемой задачи, но, обычно, таким образом, чтобы вероятность нахождения электрона в ограниченной области лежит в диапазоне значений 0.9-0.99.

Поскольку энергия электрона определяется кулоновским взаимодействием и, следовательно, расстоянием от ядра, то главное квантовое число n задает размер орбитали.

Форма и симметрия орбитали задаются орбитальным квантовыми числами l и m: s-орбитали являются сферически симметричными, p, d и f-орбитали имеют более сложную форму, определяемую угловыми частями волновой функции - угловыми функциями. Угловые функции Y_lm (φ , θ) - собственные функции оператора квадрата углового момента L 2 , зависящие от квантовых чисел l и m, являются комплексными и описывают в сферических координатах (φ , θ) угловую зависимость вероятности нахождения электрона в центральном поле атома. Линейная комбинация этих функций определяет положение орбиталей относительно декартовых осей координат.

Для линейных комбинаций Y_lm приняты следующие обозначения:

Значение орбитального квантового числа	0	1	1	1	2	2	2	2	2
Значение магнитного квантового числа	0	0	$\pm 1$	$\pm 1$	0	$\pm 1$	$\pm 1$	$\pm 1$	$\pm 2$
Линейная комбинация	-	-	$<<1 \over <i\sqrt 2 >>(Y_ - Y_ )>$	$<<1 \over <\sqrt 2 >>(Y_ + Y_ )>$	-	$<<1 \over <\sqrt 2 >>(Y_ + Y_ )>$	$<<1 \over <i\sqrt 2 >>(Y_ - Y_ )>$	$<<1 \over <\sqrt 2 >>(Y_ - Y_ )>$	$<<1 \over <i\sqrt 2 >>(Y_ - Y_ )>$
Обозначение	$\! s$	$\!p_z$	$\!p_y$	$\!p_x$	$\!d_<z^2>$	$\!d_<xz>$	$\!d_<yz>$	$\!d_<x^2 - y^2 >$	$\!d_<xy>$

Дополнительным фактором, иногда учитываемым в геометрическом представлении, является знак волновой функции (фаза). Этот фактор существеннен для орбиталей с орбитальным квантовым числом l, отличным от нуля, то есть не обладающих сферической симметрией: знак волновой функции их "лепестков", лежащих по разные стороны узловой плоскости, противоположен. Знак волновой функции учитывается в методе молекулярных орбиталей МО ЛКАО (молекулярные орбитали как линейная комбинация атомных орбиталей).

Заполнение орбиталей электронами и электронная конфигурация атома

На каждой орбитали может быть не более двух электронов, отличающихся значением спинового квантового числа s (спина). Этот запрет определён принципом Паули. Порядок заполнения электронами орбиталей одного уровня (орбиталей с одинаковым значением главного квантового числа n) определяется правилом Клечковского, порядок заполнения электронами орбиталей в пределах одного подуровня (орбиталей с одинаковыми значениями главного квантового числа n и орбитального квантового числа l) определяется Правилом Хунда.

Краткую запись распределения электронов в атоме по различным электронным оболочкам атома с учётом их главного и орбитального квантовых чисел n и l называют электронной конфигурацией атома.

Электрон — это очень маленькая частица, которая движется с огромной скоростью. Для описания движения электрона нельзя применить законы механики. Когда характеризуют движение электрона, то говорят о вероятности его нахождения в той или иной области пространства.

Электроны занимают в атоме пространство вокруг ядра и перемещаются в нём с большой скоростью в разных направлениях. Говорят, что они образуют электронное облако.

Пространство, занятое электронами, огромно по сравнению с объёмом ядра. Но это не означает, что каждый электрон может находиться в любой точке пространства. Оказалось, что электроны передвигаются только в ограниченных объёмах. Эти объёмы назвали электронными слоями или энергетическими уровнями. Число таких уровней совпадает с номером периода, в котором химический элемент располагается в периодической системе. На каждом уровне может разместиться только определённое количество электронов.

Для любого электрона можно выделить область пространства, где он бывает с вероятностью не менее $90$ %. Такую область пространства называют атомной или электронной орбиталью. Орбитали различаются формой и размерами.

Орбитали различной формы обозначают буквами: $s$, $p$, $d$, $f$. Так, $s$-орбиталь шарообразная, а $p$-орбиталь напоминает объёмную восьмёрку или гантель. У $d$- и $f$-орбиталей более сложная форма.

На одной орбитали не может быть более двух электронов. Если там два электрона, то они называются спаренными.

Энергетические уровни принято нумеровать, начиная с самого близкого к ядру. Номер обозначают числом ($1$, $2$, $3$… $7$).

На энергетических уровнях выделяют подуровни, образованные орбиталями одного вида. На первом энергетическом уровне всего один подуровень, на втором — два и т. д. Подуровни обозначают теми же буквами, что и орбитали: $s$, $p$, $d$, $f$.

Число орбиталей на подуровнях: $s$-орбиталь — $1$, $p$-орбителей — $3$, $d$-орбиталей — $5$, а $f$-орбиталей — $7$.

Удобно показывать распределение электронов по орбиталям с помощью графических схем. Орбиталь в таких схемах принято рисовать в виде квадрата, а электрон — в виде стрелки. Орбитали первых четырёх энергетических уровней можно показать следующим образом.

В предыдущей серии, вышедшей не так давно, мы узнали о существовании в составе электронной оболочки не только энергетических уровней, но и выделяемых в их составе подуровнях , состоящих в свою очередь, как упоминалось из электронных орбиталей . Мы узнали, что подуровни бывают нескольких типов: s- , p - и d - ,а так же то, что они отличаются друг от друга максимальным числом электронов, которые могут на них разместиться: так на s -подуровне могу разместиться 2 электрона, на p - 6 эл. , а на d - 10. Кроме того мы узнали, что для заполнения s -подуровня внешнего энергетического уровня свободной энергии требуется меньше, чем для заполнения d -подуровня предвнешнего, поэтому, например, 4s - подуровень заполняется электронами в первую очередь, и лишь затем 3d -подуровень.

"А где же электронные орбитали ?",- спросите Вы? "Терпение", - отвечу я. В этой серии мы отправляемся на поиски электронных орбиталей !

Итак, в предыдущей серии я уже давал определение электронной орбитали - как пространства вокруг ядра атома, в составе которого существует тот или иной электрон.

А чем же можно охарактеризовать понятие электронной орбитали ? Далее мы попробуем выделить * общее , характерное для всех эл. орбиталей , и их * различия .

* Общее :

согласно принципу Паули на каждой электронной орбитали может разместиться не более 2-х электронов , при этом электроны должны обладать разнонаправленным спином (величина, имеющая квантовый характер - собственный момент импульса или вращения электрона). Символически электронная орбиталь изображается клеточкой, в которой размещаются стрелочки - электроны, при этом стрелочки смотрят в разном направлении - обладают разнонаправленным спином:

+ Электрон, входящий в состав эл. орбитали в единственном числе называется неспаренным электроном , а заполненная электронами орбиталь называется неподелённой электронной парой (НЭП).

*Различия

электронные орбитали могут характеризоваться разной формой пространства , в котором обитает электрон, то есть электронные орбитали могут характеризоваться разной формой электронного облака ! Форма электронного облака зависит от подуровня, на котором находится рассматриваемая эл. орбиталь , так эл. орбиталь s -подуровня имеет сферическую (шаросимметричную) форму, p -подуровня - гантелеобразную (объёмной восьмёрки), d- подуровня - более сложную форму:

А теперь применим наши знания об электронных орбиталях! Если на одной электронной орбитали может разместиться не более 2-х электронов, значит s -подуровень состоит из одной единственной электронной орбитали, p -подуровень из 3-х орбиталей, а d из 5-ти:

Стоит сказать о Правиле Гунда (Хунда), согласно которому при заполнении подуровня мы прежде всего определяем в каждую из имеющихся электронных орбиталей по одному электрону, поэтому атом азота , например, обладает тремя неспаренными электронами:

Ну, и не забываем, что 4s -подуровень в приоритете перед 3d- подуровнем, поэтому атом железа Fe , например, имеет следующую электронную формулу:

Ух. Таким образом мы рассмотрели как модель электронной орбитали , так и её образное представление в виде электронного облака , в пределах которого наиболее вероятно нахождение электрона. Почему мы вынуждены говорить лишь о вероятности? Об этом как-нибудь в другой раз! А тема нашей следующей беседы в рамках последовательного и во многом авторского способа изложения химии и теперь ещё не определена)

Подписывайтесь на канал, чтобы вместе со мной поддерживать или формировать химическую грамотность.

Читайте также: