S ve P tipi atomik yörüngeler. Yörünge hibridizasyonu

Yörüngeler, içinde bir elektronun bulunup bulunmadığına (işgal edilmiş yörüngeler) veya bulunmamasına (boş yörüngeler) bakılmaksızın mevcuttur. Hidrojenle başlayıp bugün elde edilen son elementle biten her elementin atomu, tüm elektronik seviyelerde tam bir yörünge setine sahiptir. Atom numarası yani çekirdeğin yükü arttıkça elektronlarla dolarlar.

S-Yörüngeler yukarıda gösterildiği gibi küresel bir şekle sahiptir ve dolayısıyla her üç boyutlu koordinat ekseni yönünde aynı elektron yoğunluğuna sahiptir:

Her atomun ilk elektronik seviyesinde yalnızca bir tane vardır. S- orbital. Ek olarak ikinci elektronik seviyeden başlayarak S-üç yörünge de ortaya çıkıyor R-orbitaller. Üç boyutlu sekizler şeklindedirler, en olası konumun alanı böyle görünür R-atom çekirdeği bölgesindeki elektron. Her biri R-yörünge, ismine uygun olarak karşılıklı üç dik eksenden biri boyunca bulunur R-orbitaller, karşılık gelen indeksi kullanarak, maksimum elektron yoğunluğunun bulunduğu ekseni gösterir:

Modern kimyada, bir yörünge, kimyasal bağların oluşumu süreçlerini dikkate almamıza ve bunların özelliklerini analiz etmemize olanak tanıyan tanımlayıcı bir kavramdır; dikkat, kimyasal bağların oluşumuna katılan elektronların yörüngelerine, yani değerliklere odaklanır. elektronlar, genellikle son seviyedeki elektronlar.

Başlangıç durumundaki karbon atomunun ikinci (son) elektronik düzeyde iki elektronu vardır. S-orbitaller (mavi ile işaretlenmiştir) ve ikide bir elektron R-orbitaller (kırmızı ve sarı ile işaretlenmiştir), üçüncü yörünge p z-boş:

Hibridizasyon.

Bir karbon atomunun doymuş bileşiklerin (çoklu bağ içermeyen) oluşumuna katılması durumunda, bir S- yörünge ve üç R-orbitaller birleşerek orijinal yörüngelerin melezleri olan yeni yörüngeler oluştururlar (bu sürece hibridizasyon denir). Hibrit yörüngelerin sayısı her zaman orijinal olanların sayısına eşittir, bu durumda dörttür. Ortaya çıkan hibrit yörüngeler şekil olarak aynıdır ve dışa doğru asimetrik üç boyutlu sekiz rakamına benzemektedir:

Tüm yapı, düzenli bir tetrahedronun (düzenli üçgenlerden bir araya getirilmiş bir prizma) içine yazılmış gibi görünüyor. Bu durumda, hibrit yörüngeler böyle bir tetrahedronun eksenleri boyunca yerleştirilmiştir, herhangi iki eksen arasındaki açı 109°'dir. Karbonun dört değerlik elektronu bu hibrit yörüngelerde bulunur:

Basit kimyasal bağların oluşumunda yörüngelerin katılımı.

Dört özdeş yörüngede bulunan elektronların özellikleri eşdeğerdir, buna göre bu elektronların aynı türden atomlarla etkileşime girdiğinde oluşturduğu kimyasal bağlar eşdeğer olacaktır.

Bir karbon atomunun dört hidrojen atomu ile etkileşimine, karbonun uzatılmış hibrit yörüngelerinin küresel hidrojen yörüngeleri ile karşılıklı örtüşmesi eşlik eder. Her yörünge bir elektron içerir; örtüşmenin bir sonucu olarak her bir elektron çifti, birleşik moleküler yörünge boyunca hareket etmeye başlar.

Hibritleşme yalnızca bir atom içindeki yörüngelerin şeklinde bir değişikliğe yol açar ve iki atomun (hibrit veya sıradan) yörüngelerinin örtüşmesi, aralarında kimyasal bir bağ oluşmasına yol açar. Bu durumda ( santimetre. Aşağıdaki şekil) maksimum elektron yoğunluğu, iki atomu birleştiren çizgi boyunca bulunur. Böyle bir bağlantıya s bağlantısı denir.

Ortaya çıkan metanın yapısının geleneksel yazımı, örtüşen yörüngeler yerine değerlik çubuğu sembolünü kullanır. Bir yapının üç boyutlu görüntüsü için, çizim düzleminden izleyiciye yönlendirilen değerlik, katı kama şeklinde bir çizgi biçiminde gösterilir ve çizim düzleminin ötesine uzanan değerlik, kesikli bir kama biçiminde gösterilir. şekilli çizgi:

Böylece metan molekülünün yapısı, karbonun hibrit yörüngelerinin geometrisi ile belirlenir:

Bir etan molekülünün oluşumu yukarıda gösterilen işleme benzer; aradaki fark, iki karbon atomunun hibrit yörüngeleri örtüştüğünde bir C-C bağının oluşmasıdır:

Etan molekülünün geometrisi metana benzer, bağ açıları 109°'dir ve bu, karbon hibrid yörüngelerinin uzaysal düzenlemesiyle belirlenir:

Çoklu kimyasal bağların oluşumunda yörüngelerin katılımı.

Etilen molekülü de hibrit yörüngelerin katılımıyla oluşur, ancak yalnızca biri hibritleşmede rol oynar. S-yörünge ve sadece iki R-orbitaller ( piksel Ve RU), üçüncü yörünge – p z, eksen boyunca yönlendirilmiş z, melez oluşumuna katılmaz. İlk üç yörüngeden, aynı düzlemde bulunan ve üç ışınlı bir yıldız oluşturan üç hibrit yörünge ortaya çıkar, eksenler arasındaki açılar 120°'dir:

İki karbon atomu dört hidrojen atomuna bağlanır ve ayrıca birbirlerine bağlanarak bir C-C s bağı oluşturur:

İki yörünge p z Hibritleşmeye katılmayanlar birbirleriyle örtüşür, geometrileri örtüşmenin C-C iletişim hattı boyunca değil, üstünde ve altında meydana geleceği şekildedir. Sonuç olarak, bu bağın oluşumuna katılan iki elektronun (mavi ve kırmızı ile işaretlenmiş) bulunduğu, elektron yoğunluğunun arttığı iki bölge oluşur. Böylece uzayda ayrılmış iki bölgeden oluşan bir moleküler yörünge oluşur. Maksimum elektron yoğunluğunun iki atomu birleştiren çizginin dışında yer aldığı bağa p bağı denir:

Yüzyıllardır doymamış bileşikleri tasvir etmek için yaygın olarak kullanılan çift bağın tanımlanmasındaki ikinci değerlik özelliği, modern anlayışta C-C bağ çizgisinin karşıt taraflarında yer alan artan elektron yoğunluğuna sahip iki bölgenin varlığını ima eder.

Etilen molekülünün yapısı hibrit yörüngelerin geometrisi tarafından belirlenir, H-C-H bağ açısı 120°'dir:

Asetilenin oluşumu sırasında S-yörünge ve bir piksel-orbital (yörüngeler ey Ve p z, melez oluşumuna katılmazlar). Ortaya çıkan iki hibrit yörünge, eksen boyunca aynı çizgide bulunur. X:

Hibrit yörüngelerin birbirleriyle ve hidrojen atomlarının yörüngeleriyle örtüşmesi, basit bir değerlik çizgisiyle temsil edilen C-C ve C-H s-bağlarının oluşumuna yol açar:

Kalan iki çift yörünge ey Ve p zörtüşmek. Aşağıdaki şekilde, renkli oklar, tamamen uzaysal değerlendirmelerden yola çıkarak, aynı indekslere sahip yörüngelerin büyük olasılıkla örtüştüğünü göstermektedir. x-x Ve ah. Sonuç olarak, basit bir s-bağı C-C'yi çevreleyen iki p-bağı oluşur:

Sonuç olarak asetilen molekülü çubuk şeklinde bir şekle sahiptir:

Benzende moleküler omurga, birinden oluşan hibrit yörüngelere sahip karbon atomlarından oluşur. S- ve iki R-üç ışınlı yıldız şeklinde düzenlenmiş yörüngeler (etilen gibi), R-hibridizasyona dahil olmayan yörüngeler yarı şeffaf olarak gösterilmiştir:

Boş yörüngeler, yani elektron içermeyenler () de kimyasal bağ oluşumuna katılabilir.

Yüksek seviyeli yörüngeler.

Dördüncü elektronik seviyeden itibaren atomların beş D-orbitaller, elektronlarla doldurulmaları skandiyumdan başlayarak geçiş elemanlarında meydana gelir. Dört D-yörüngeler, bazen “yonca yaprakları” olarak adlandırılan üç boyutlu dörtgen şeklindedir, yalnızca uzayda yönelimleri farklıdır, beşinci D-orbital, bir halkaya vidalanmış üç boyutlu bir sekiz rakamıdır:

D-Orbitaller melezleşebilir S- Ve P- yörüngeler. Seçenekler D-orbitaller genellikle geçiş metali komplekslerinin yapısının ve spektral özelliklerinin analizinde kullanılır.

Altıncı elektronik seviyeden itibaren atomların yedi F-orbitaller, elektronlarla doldurulmaları lantanit ve aktinit atomlarında meydana gelir. F-Yörüngeler oldukça karmaşık bir konfigürasyona sahiptir; aşağıdaki şekil, aynı şekle sahip olan ve uzayda farklı şekillerde yönlendirilen bu tür yedi yörüngeden üçünün şeklini göstermektedir:

F-Çeşitli bileşiklerin özelliklerini tartışırken yörüngeler çok nadiren kullanılır, çünkü üzerlerinde bulunan elektronlar pratik olarak kimyasal dönüşümlerde yer almaz.

Umutlar.

Sekizinci elektronik seviyede dokuz tane vardır G-orbitaller. Bu yörüngelerde elektron içeren elementler mevcut değilken sekizinci dönemde ortaya çıkmalı (Periyodik Tablonun yedinci periyodunun son elementi olan 118 numaralı elementin yakın gelecekte elde edilmesi bekleniyor; sentezi devam ediyor) Dubna'daki Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'nde).

Biçim G- Kuantum kimyası yöntemleriyle hesaplanan yörüngeler, yörüngelerinkinden bile daha karmaşıktır. F-orbitaller, elektronun en olası konumunun bulunduğu bölge bu durumda çok tuhaf görünüyor. Aşağıda bu tür dokuz yörüngeden birinin görünümü yer almaktadır:

Modern kimyada atomik ve moleküler yörünge kavramları, bileşiklerin yapısını ve reaksiyon özelliklerini tanımlamada, ayrıca çeşitli moleküllerin spektrumlarını analiz etmede ve bazı durumlarda reaksiyonların meydana gelme olasılığını tahmin etmede yaygın olarak kullanılmaktadır.

Mihail Levitsky

S-Yörüngeler yukarıda gösterildiği gibi küresel bir şekle sahiptir ve dolayısıyla her üç boyutlu koordinat ekseni yönünde aynı elektron yoğunluğuna sahiptir:

Hibridizasyon.

Basit kimyasal bağların oluşumunda yörüngelerin katılımı.

Böylece metan molekülünün yapısı, karbonun hibrit yörüngelerinin geometrisi ile belirlenir:

Bir etan molekülünün oluşumu yukarıda gösterilen işleme benzer; aradaki fark, iki karbon atomunun hibrit yörüngeleri örtüştüğünde bir C-C bağının oluşmasıdır:

Etan molekülünün geometrisi metana benzer, bağ açıları 109°'dir ve bu, karbon hibrid yörüngelerinin uzaysal düzenlemesiyle belirlenir:

Çoklu kimyasal bağların oluşumunda yörüngelerin katılımı.

İki karbon atomu dört hidrojen atomuna bağlanır ve ayrıca birbirlerine bağlanarak bir C-C s bağı oluşturur:

Etilen molekülünün yapısı hibrit yörüngelerin geometrisi tarafından belirlenir, H-C-H bağ açısı 120°'dir:

Hibrit yörüngelerin birbirleriyle ve hidrojen atomlarının yörüngeleriyle örtüşmesi, basit bir değerlik çizgisiyle temsil edilen C-C ve C-H s-bağlarının oluşumuna yol açar:

Sonuç olarak asetilen molekülü çubuk şeklinde bir şekle sahiptir:

Boş yörüngeler, yani elektron içermeyenler () de kimyasal bağ oluşumuna katılabilir.

Yüksek seviyeli yörüngeler.

D-Orbitaller melezleşebilir S- Ve P- yörüngeler. Seçenekler D-orbitaller genellikle geçiş metali komplekslerinin yapısının ve spektral özelliklerinin analizinde kullanılır.

F-Çeşitli bileşiklerin özelliklerini tartışırken yörüngeler çok nadiren kullanılır, çünkü üzerlerinde bulunan elektronlar pratik olarak kimyasal dönüşümlerde yer almaz.

Umutlar.

Mihail Levitsky

Kimyasal element- isim ve sembolle gösterilen ve atom numarası ve bağıl atom kütlesi ile karakterize edilen belirli bir atom türü.

Masada Tablo 1 ortak kimyasal elementleri listeler, bunların tanımlandığı sembolleri (parantez içindeki telaffuz), seri numaralarını, bağıl atom kütlelerini ve karakteristik oksidasyon durumlarını verir.

Sıfır Bir elementin basit madde(ler)indeki oksidasyon durumu tabloda gösterilmemiştir.

Aynı elementin tüm atomları çekirdekte aynı sayıda protona ve kabukta aynı sayıda elektrona sahiptir. Yani bir elementin atomunda hidrojen N, 1'dir p + merkezde ve çevrede 1 e- ; bir element atomunda oksijen O 8'dir p +çekirdekte ve 8 e- bir kabukta; element atomu alüminyum Al'da 13 tane var R+ çekirdekte ve 13 e- bir kabukta.

Aynı elementin atomları çekirdekteki nötron sayısında farklılık gösterebilir; bu tür atomlara izotop denir. Yani, eleman hidrojen H üç izotop: hidrojen-1 (özel ad ve sembol) protiyum 1 saat) 1 ile p +çekirdekte ve 1 e- bir kabukta; hidrojen-2 (döteryum 2 N veya D) ile 1 p + ve 1 PÇekirdekte 0 ve 1 e- bir kabukta; hidrojen-3 (trityum 3 N veya T) ile 1 p + ve 2 PÇekirdekte 0 ve 1 e- bir kabukta. 1H, 2H ve 3H sembollerinde üst simge şunları belirtir: kütle Numarası– çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamı. Diğer örnekler:

Elektronik formül D.I. Mendeleev'in Periyodik Elementler Tablosu'ndaki konumuna göre herhangi bir kimyasal elementin atomu tablodan belirlenebilir. 2.

Herhangi bir atomun elektron kabuğu bölünmüştür enerji seviyeleri(1., 2., 3. vb.), seviyeler ayrılmıştır alt düzeyler(harflerle gösterilir) s, p, d, f). Alt seviyeler şunlardan oluşur: atomik yörüngeler– elektronların bulunması muhtemel uzay alanları. Orbitaller 1'ler (1. seviye s-alt seviye yörünge), 2 S, 2R, 3S, 3s, 3d, 4S... Alt seviyelerdeki yörünge sayısı:

Atomik yörüngelerin elektronlarla doldurulması üç koşula göre gerçekleşir:

1) minimum enerji prensibi

Elektronlar, daha düşük enerjili alt seviyeden başlayarak yörüngeleri doldurur.

Alt seviyelerin artan enerjisinin sırası:

1S < 2C < 2P < 3S < 3P < 4S ? 3D < 4P < 5S ? 4D < 5P < 6S…

2)dışlama kuralı (Pauli ilkesi)

Her yörünge ikiden fazla elektronu barındıramaz.

Bir yörüngedeki bir elektrona eşlenmemiş, iki elektrona denir elektronik çift:

3) maksimum çokluk ilkesi (Hund kuralı)

Bir alt seviyede, elektronlar önce tüm yörüngeleri yarıya kadar, sonra da tamamen doldurur.

Her elektronun kendine has bir özelliği vardır - spin (geleneksel olarak yukarı veya aşağı okla temsil edilir). Elektron dönüşleri vektörler halinde toplanır; belirli bir sayıdaki elektronun bir alt seviyedeki dönüşlerinin toplamı şu şekilde olmalıdır: maksimum(çokluk):

H elementlerinin atomlarının seviyelerinin, alt seviyelerinin ve yörüngelerinin elektronlarla doldurulması (Z = 1) Kr'a kadar (Z = 36)'da gösterilmiştir enerji diyagramı(sayılar doldurma sırasına karşılık gelir ve elemanların sıra numaralarıyla çakışır):

Tamamlanan enerji diyagramlarından, elektronik formüller elementlerin atomları. Belirli bir alt seviyenin yörüngelerindeki elektronların sayısı, mektubun sağındaki üst simgede gösterilir (örneğin, 3 D 5, Z başına 5 elektrondur D-alt düzey); önce 1. seviyenin elektronları gelir, sonra 2., 3. vb. Formüller tam ve kısa olabilir, ikincisi parantez içinde formülünü taşıyan karşılık gelen soy gazın sembolünü içerir ve ayrıca Zn ile başlar. , doldurulmuş iç d-alt düzeyi. Örnekler:

3 Li = 1s 2 2s 1 = [ 2 He]2s 1

8 Ö = 1s 2 2s 2 2p 4= [2He] 2s 2 2p 4

13 Al = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1= [10 Ne] 3s 2 3p 1

17 Cl = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5= [10 Ne] 3s 2 3p 5

2O Ca = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4s 2= [18 Ar] 4s 2

21 Sc = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3 boyutlu 1 4s 2= [18 Ar] 3 boyutlu 1 4s 2

25 Mn = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3 boyutlu 5 4s 2= [18 Ar] 3 boyutlu 5 4s 2

26 Fe = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3 boyutlu 6 4s 2= [18 Ar] 3 boyutlu 6 4s 2

3O Zn = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2= [18 Koç, 3d 10] 4s 2

33 As = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3= [18 Koç, 3d 10] 4s 2 4p 3

36 Kr = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6= [18 Koç, 3d 10] 4s 2 4p 6

Parantezlerin dışına yerleştirilen elektronlara denir. değerlik Kimyasal bağların oluşumunda rol oynayanlar onlardır.

İstisnalar şunlardır:

24 Cr = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3 boyutlu 5 4s 1= [18 Ar] Çd 5 4s 1(3d 4 4s 2 değil!),

29 Cu = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3 boyutlu 10 4s 1= [18 Ar] 3 boyutlu 10 4s 1(3d 9 4s 2 değil!).

Bölüm A görevlerine örnekler

1. Başlık, ilgili değil hidrojen izotoplarına,

1) döteryum

2) oksonyum

2. Bir metal atomunun değerlik alt seviyelerinin formülü şu şekildedir:

3. Bir demir atomunun temel durumundaki eşleşmemiş elektronların sayısı

4. Bir alüminyum atomunun uyarılmış durumunda, eşleşmemiş elektronların sayısı eşittir

5. Elektronik formül 3d 9 4s 0 katyona karşılık gelir

6. E 2- 3s 2 3p 6 anyonunun elektronik formülü elemente karşılık gelir

7. Mg 2+ katyonu ve F anyonundaki toplam elektron sayısı şuna eşittir:

Atomların ve moleküllerin kimyasal özelliklerini (yapı ve reaktivite) tartışırken, atomik yörüngelerin uzaysal formuna ilişkin bir fikir, belirli bir sorunun niteliksel çözümünde çok yardımcı olabilir. Genel durumda, AO'lar karmaşık biçimde yazılır, ancak baş kuantum sayısıyla aynı enerji düzeyiyle ilgili karmaşık fonksiyonların doğrusal kombinasyonları kullanılır. P ve aynı yörüngesel momentum değeri / ile, gerçek uzayda tasvir edilebilecek gerçek formda ifadeler elde etmek mümkündür.

Hidrojen atomundaki bir dizi AO'yu sırasıyla ele alalım.

Temel durumun (4^) dalga fonksiyonu çok basit görünmektedir. Küresel simetriye sahiptir

A'nın değeri, değerin bulunduğu ifadeyle belirlenir.

isminde Bohr yarıçapı. Bohr yarıçapı atomların karakteristik boyutlarını gösterir. 1/oc değeri, tek elektronlu atomlardaki fonksiyonların karakteristik bozunumunun ölçeğini belirler.

(EVL)'den, nükleer yük Z değeriyle ters orantılı olarak arttıkça tek elektronlu atomların boyutunun küçüldüğü açıktır. Örneğin, He + atomunda dalga fonksiyonu, hidrojendekinden iki kat daha hızlı azalacaktır. karakteristik mesafesi 0,265 A olan atom.

*F ls'nin mesafeye bağımlılığı Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.3. *Fj fonksiyonunun maksimumu sıfırdır. Çekirdeğin içinde bir elektronun bulunması çok da şaşırtıcı olmamalıdır çünkü çekirdek, içinden geçilemez bir küre olarak düşünülemez.

Bir hidrojen atomunun temel durumunda çekirdekten belli bir mesafede bir elektronun tespit edilmesinin maksimum olasılığı şu noktada meydana gelir: r = bir 0 = 0,529 A. Bu değer aşağıdaki şekilde bulunabilir. Küçük bir A hacminde bir elektron bulma olasılığı V|*P|'ye eşittir 2 DY. Hacim AV o kadar küçük varsayıyoruz ki dalga fonksiyonunun değeri bu küçük hacim içinde sabit kabul edilebilir. Uzakta bir elektron bulma olasılığıyla ilgileniyoruz Gçekirdekten A kalınlığında ince bir tabaka halinde G. Uzakta bir elektron bulma olasılığı olduğundan G yöne bağlı değilse ve belirli yön bizi ilgilendirmiyorsa, o zaman bir elektronun A kalınlığında çok ince bir küresel katmanda kalma olasılığını bulmamız gerekir. G. Değerden beri | V F| 2'nin hesaplanması kolaydır, ihtiyacımız var

Pirinç. 3.3. *F 1'lerin mesafeye bağımlılığı. Fonksiyonun değerleri r = O'daki değerine normalleştirilir

Pirinç. 3.4.Küresel bir katmanın hacmini hesaplamak için şema

AK ile gösterdiğimiz küresel katmanın hacmini bulun. Yarıçaplı iki topun hacimleri arasındaki farka eşittir. G Ve g + Ar(Şekil 3.4):

A'dan beri G karşılaştırıldığında çok az G, daha sonra değeri hesaplarken (g + Ar) 3 kendimizi ilk iki terimle sınırlayabiliriz. Daha sonra elde ettiğimiz küresel katmanın hacmi için

Son ifade daha basit bir şekilde elde edilebilir. A'dan beri G karşılaştırıldığında çok az G, daha sonra küresel katmanın hacmi, küresel katmanın alanı ve kalınlığının çarpımına eşit olarak alınabilir (bkz. Şekil 3.4). Kürenin alanı 4kg 2, ve kalınlık A G. Bu iki miktarın çarpımı aynı ifadeyi verir (3.11).

Yani olasılık W Bu katmandaki elektronun şuna eşit olduğunu bulun:

*P ls ifadesi Ek 3.1'den alınmıştır. A'nın değerini düşünürsek G sabitse, indirgenmiş fonksiyonun maksimumu şu noktada gözlenir: G = bir 0.

Olasılığın ne olduğunu bilmek istiyorsanız W hacimdeki elektronu tespit etmek V, o zaman uzayın bu bölgesi üzerinde bir elektronu tespit etmenin olasılık yoğunluğunu ifadeye (3.6) uygun olarak entegre etmek gerekir.

Örneğin, merkezi çekirdekte ve yarıçapı x 0 olan uzayın küresel bir bölgesinde yer alan hidrojen atomunda bir elektronun bulunma olasılığı nedir? Daha sonra

Buradaki değer d V hesaplamalar sırasında değiştirildi 4kg 1 dr(3.11)'e benzer şekilde, dalga fonksiyonu yalnızca mesafeye bağlı olduğundan ve dolayısıyla integrallenebilir fonksiyonun açısal bağımlılığının olmaması nedeniyle açılar üzerinden integral almaya gerek olmadığından.

Dalga fonksiyonunun uzaydaki dağılımına ilişkin niteliksel bir fikir, atomik yörüngelerin bulut biçimindeki görüntüsü ile verilir ve renk ne kadar yoğun olursa, H" fonksiyonunun değeri de o kadar yüksek olur. Yörünge şöyle görünecektir: bu (Şekil 3.5):

Pirinç. 3.5.

Orbital 2p z BŞekil 2'de bulutun şekli gösterilmektedir. 3.6.

Pirinç. 3.6. Bulut şeklindeki bir hidrojen atomunun 2p g yörüngesinin görüntüsü

Benzer şekilde, I"Fj 2 olasılık yoğunluğunun elektron yükü ile çarpılmasıyla bulunabilecek elektron yoğunluğu dağılımı bir bulut gibi görünecektir. Bu durumda bazen elektron bulaşmasından bahsederler. Ancak bu hiçbir şekilde değildir. elektronun uzay boyunca yayılmasıyla karşı karşıya olduğumuz anlamına gelir; elektronun uzay boyunca gerçek anlamda yayılması söz konusu değildir ve bu nedenle hidrojen atomu, gerçek bir negatif yük bulutu içine daldırılmış bir çekirdek olarak temsil edilemez.

Bununla birlikte, bulut şeklindeki bu tür görüntüler nadiren kullanılır ve H" fonksiyonlarının açısal bağımlılığı hakkında bir fikir oluşturmak için çok daha sık çizgiler kullanılır. Bunu yapmak için, değerleri hesaplayın. H", çekirdeğe belirli bir mesafede çizilen bir küre üzerinde çalışır. Daha sonra hesaplanan değerler, belirli bir Ch" fonksiyonu için en bilgilendirici düzlem bölümü için Ch" fonksiyonlarının işaretini gösteren yarıçaplar üzerinde çizilir. Örneğin, Is yörüngesi genellikle bir daire olarak gösterilir (Şekil 3.7).

Pirinç.

İncirde. 3.8 2/> r-yörüngesi belli bir yarıçapa sahip bir küre üzerine inşa edilmiştir. Uzamsal bir resim elde etmek için şekli z eksenine göre döndürmek gerekir. Bir fonksiyon yazarken “z” indeksi, fonksiyonun “z” ekseni boyunca yönelimini gösterir. “+” ve “-” işaretleri H"-fonksiyonlarının işaretlerine karşılık gelir. 2/?z-fonksiyonunun değerleri, ^-koordinatının pozitif olduğu uzay bölgesinde pozitif ve negatiftir. ^-koordinatının negatif olduğu bölge.

Pirinç. 3.8. Biçim 2p z-orbitaller. Belirli bir yarıçapa sahip bir küre üzerine inşa edilmiştir

Kalan /orbitaller için de durum benzerdir. Örneğin, 2/? X-orbital, x-ekseni boyunca yönlendirilir ve x-koordinatının pozitif olduğu uzay kısmında pozitiftir ve x-koordinat değerlerinin negatif olduğu yerlerde değerleri negatiftir (Şekil 3.9).

İşareti gösteren dalga fonksiyonlarının görüntüsü, kimyasal bileşiklerin reaktivitesinin niteliksel bir açıklaması için önemlidir ve bu nedenle, Şekil 2'de gösterilenler gibi görüntüler. 3.9 en çok kimya literatüründe bulunur.

Şimdi d-orbitallerini ele alalım (Şekil 3.10). Orbitaller dxy, dxz, dyz, eşdeğer görünüyor. Yönleri ve işaretleri alt simgelerle belirlenir: indeks xy gösteriler

Pirinç. 3.9. Biçim 2p x - yörüngeler. Belirli bir yarıçapa sahip bir küre üzerine inşa edilmiştir

yörüngenin x ve eksenlere göre 45° açıyla yönlendirildiği en ve x ve endekslerinin çarpımının olduğu yerde Y fonksiyonunun işareti pozitiftir. en olumlu.

Pirinç. 3.10.

Geriye kalan ^/-orbitallerde de durum benzerdir. ^/-orbitallerin görüntüsü Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.10, literatürde en sık bulunur. Görüldüğü gibi yörüngeler d , d x2 _ y2 , d z2 eşdeğer değildir. Yalnızca yörüngeler eşdeğerdir d , d xz , d yz . Bir molekülün yapısını tanımlamak için beş eşdeğer ^/-orbital gerekiyorsa, bunlar yörüngelerin doğrusal kombinasyonları kullanılarak oluşturulabilir.

Küresel simetriye sahip bir atomik yörünge (Şekil 3) genellikle şu şekilde gösterilir: S -orbital (S-AO) ve içindeki elektronlar NasılS-elektronlar.

Atomik s-orbitalinin yarıçapı, artan enerji seviyesi sayısıyla birlikte artar; 1s-AO, 2s-AO'nun içinde bulunur, ikincisi 3s-AO'nun içinde bulunur, vb. atom çekirdeğine karşılık gelen bir merkeze sahiptir. Genel olarak yörünge modelinde bir atomun elektron kabuğunun yapısı katmanlı görünmektedir. Elektron içeren her enerji düzeyi geometrik olarak şu şekilde kabul edilir: elektronik katman.

Atomik bir s-orbitalini işgal eden bir elektronun kısaltılmış bir gösterimi için, s-AO'nun kendisinin tanımı, elektronların sayısını gösteren bir üst dijital indeks ile birlikte kullanılır. Örneğin 1s, hidrojen atomundaki tek elektronun tanımıdır.

Enerji seviyesi numarası karşılık gelir Ana kuantum sayısı, ve yörünge türü yörünge kuantum sayısı.

2s Li=1s 2'ler ,Ol=1s 2'ler

1s H=1s , O

Elektronik formül ile birleştirildi enerji diyagramı Bir atomun elektron kabuğu (Şekil 3) onu yansıtır elektronik konfigürasyon.

Dönme (eksenel) simetriye sahip bir atomik yörünge genellikle şu şekilde gösterilir: P-yörünge (P -AO)(Şek. 3); içindeki elektronlar P-elektronlar.

Her atomik p-orbital, diğer AO'lar gibi (maksimum dolulukta) iki elektronu kabul edebilir. Bu elektronlar toplu olarak her iki yarıyı da işgal eder P-orbitaller. Her atomik enerji seviyesinde (birincisi hariç), maksimum altı elektron popülasyonuna karşılık gelen üç atomik yörünge vardır.

Her üçü P-Aynı enerji seviyesindeki AO'lar uzaysal konum bakımından birbirinden farklıdır; yörüngenin her iki yarısından geçen ve düğüm düzlemine dik olan kendi eksenleri, bir Kartezyen koordinat sistemi oluşturur (kendi eksenleri x, y, z'nin gösterimleri). Bu nedenle, her enerji seviyesinde üç atomik p-orbital kümesi vardır: p x -, p y - ve p z -AO. X, y, z harfleri karşılık gelir manyetik kuantum sayısı Bu, harici bir manyetik alanın bir atomun elektron kabuğu üzerindeki etkisinin değerlendirilmesine olanak tanır.

Atomik s-orbitaller tüm enerji seviyelerinde mevcuttur. P-orbitaller - birincisi hariç tüm seviyelerde. Üçüncü ve sonraki enerji seviyelerinde bir s-AO ve üçe kadar P-AO, adı verilen beş atomik yörüngeye katılır. D -orbitaller(Şekil 4) ve dördüncü ve sonraki seviyelerde - yedi atomik yörünge daha denir F -orbitaller.

2.3. Enerji alt seviyeleri

çok elektronlu atom prensipler

bir elektron kabuğu inşa etmek

Kuantum mekaniği hesaplamaları, çok elektronlu atomlarda, bir seviyedeki elektronların enerjisinin aynı olmadığını göstermektedir; Elektronlar farklı türde atomik yörüngeleri işgal eder ve farklı enerjilere sahiptir.

Enerji seviyesi karakterize edilir Ana kuantum sayısıN. Bilinen tüm elementler için n'nin değerleri 1'den 7'ye kadar değişir. Çok elektronlu bir atomdaki elektronlar çoğunlukla (heyecansız) durum, birinciden yedinciye kadar enerji seviyelerini işgal eder.

Enerji alt seviyesi karakterize edilir yörünge kuantum sayısıben. Her seviye için (n = sabit) kuantum sayısı ben 0'dan (n-1'e) kadar tüm tamsayı değerlerini kabul eder, örneğin n=3 değerleri ile ben 0, 1 ve 2 olacaktır. Yörünge kuantum sayısı, yörüngelerin geometrik şeklini (simetrisini) belirler. S-, P-, D-, F-alt düzey. Her durumda n> olduğu açıktır. ben; n=3 maksimum değerde ben 2'ye eşittir.

İlk dört enerji seviyesine ait mevcut alt seviyeler, atomik yörünge sayıları ve içlerindeki elektron sayıları Tablo 1'de verilmiştir.

Atomların elektron kabuklarını doldurma düzeni, 1925'te İsviçreli fizikçi Pauli tarafından kurulan dışlama ilkesine göre belirlenir.

Pauli prensibi: Bir atomun aynı durumlarda iki elektronu olamaz.

Aynı alt seviyedeki farklı atomik yörüngeleri işgal eden elektronlar arasındaki fark ( N, ben = yapı), s-alt düzeyi hariç, karakterize edilir manyetik kuantum sayısıM. Bu sayıya manyetik denir çünkü elektronların harici bir manyetik alandaki davranışını karakterize eder. Eğer değer ben alt seviyenin atomik yörüngelerinin geometrik şeklini, ardından kuantum sayısının değerini belirler M bu yörüngelerin göreceli uzaysal düzenlemesini oluşturur.

tablo 1

Enerji seviyeleri, alt seviyeler ve yörüngeler

çok elektronlu atom

Enerji seviyesi n	Enerji alt seviyesi		Yörünge tanımı	Yörünge sayısı N	Elektron sayısı 2n
Enerji seviyesi n		yörünge türü	Yörünge tanımı	Yörünge sayısı N	Elektron sayısı 2n

Manyetik kuantum sayısı M ben bu alt düzey içinde ( N, ben = yapı) +'dan tüm tamsayı değerlerini kabul eder ben önce - ben, sıfır dahil. S-alt düzeyi için ( N = yapı, ben = 0 ) yalnızca bir değer mümkündür M ben = 0, bu, herhangi bir (birinciden yedinciye kadar) enerji seviyesinin s-alt seviyesinin bir s-AO içerdiği anlamına gelir.

P-alt düzeyi için ( N> 1, ben = 1) M ben +1, 0, -1 olmak üzere üç değer alabilir, bu nedenle herhangi bir (ikinciden yedinciye kadar) enerji seviyesinin p-alt seviyesi üç p-AO içerir.

D-alt düzeyi için ( N> 2, ben = 2) M ben+2, +1, 0, -1, -2 olmak üzere beş değere sahiptir ve sonuç olarak, D- Herhangi bir (üçüncüden yedinciye kadar) enerji seviyesinin alt seviyesi mutlaka beş tane içerir D- JSC.

Aynı şekilde her biri için F- alt düzey ( N> 3, ben = 3) M+3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 olmak üzere yedi değeri vardır ve dolayısıyla herhangi biri F- alt düzey yedi içerir F- JSC.

Böylece, Her atomik yörünge, üç kuantum numarasıyla benzersiz bir şekilde belirlenir;N , yörünge ben ve manyetik M ben .

Şu tarihte: N = yapı belirli bir enerji seviyesine ilişkin tüm değerler kesin olarak tanımlanmıştır ben, ve ne zaman ben = yapı – belirli bir enerji alt düzeyiyle ilgili tüm değerler M ben .

Her bir yörünge en fazla iki elektronla doldurulabildiğinden, her enerji düzeyinde ve alt düzeyde barındırılabilecek elektronların sayısı, o düzeydeki veya alt düzeydeki yörüngelerin sayısının iki katıdır. Aynı atomik yörüngede bulunan elektronlar aynı kuantum sayılarına sahip olduğundan N, ben Ve M ben, o zaman bir yörüngedeki iki elektron için dördüncü kullanılır, spin kuantum sayısıS elektronun dönüşüyle belirlenir.

Pauli ilkesine göre şöyle ifade edilebilir: Bir atomdaki her elektron benzersizdir dört kuantum sayısı kümesiyle karakterize edilir - anaN , yörüngeben , manyetikM ve döndürS.

Enerji seviyelerinin, alt seviyelerin ve atomik yörüngelerin elektronlar tarafından popülasyonu aşağıdaki kurala tabidir (minimum enerji ilkesi): uyarılmamış bir durumda, tüm elektronlar en düşük enerjiye sahiptir.

Bu, bir atomun kabuğunu dolduran elektronların her birinin, bir bütün olarak atomun minimum enerjiye sahip olacağı bir yörüngeyi işgal ettiği anlamına gelir. Alt seviyelerin enerjisindeki tutarlı kuantum artışı aşağıdaki sırayla gerçekleşir:

1S – 2S – 2P – 3S – 3P – 4S – 3D – 4P – 5S - …..

Bir enerji alt seviyesindeki atomik yörüngelerin doldurulması, Alman fizikçi F. Hund (1927) tarafından formüle edilen kurala uygun olarak gerçekleşir.

Hund'un kuralı: Aynı alt seviyeye ait atomik yörüngelerin her biri önce bir elektronla, sonra ikinci elektronla doldurulur.

Hund kuralına aynı zamanda maksimum çokluk ilkesi de denir. bir enerji alt seviyesindeki elektronların dönüşlerinin mümkün olan maksimum paralel yönü.

Serbest bir atomun en yüksek enerji seviyesinde sekizden fazla elektronu olamaz.

Bir atomun en yüksek enerji seviyesinde (dış elektron katmanında) bulunan elektronlara denir. harici; Herhangi bir elementin atomundaki dış elektronların sayısı hiçbir zaman sekizden fazla olmaz. Birçok element için, onların kimyasal özelliklerini büyük ölçüde belirleyen şey, (iç alt seviyeleri doldurulmuş) dış elektronların sayısıdır. Atomları doldurulmamış bir iç alt seviyeye sahip olan diğer elektronlar için, örneğin 3 D- Sc, Ti, Cr, Mn vb. gibi elementlerin atomlarının alt seviyesi, kimyasal özellikleri hem iç hem de dış elektronların sayısına bağlıdır. Bu elektronların tümüne denir değerlik; atomların kısaltılmış elektronik formüllerinde atom iskeletinin sembolünden sonra, yani köşeli parantez içindeki ifadeden sonra yazılırlar.