في الكيمياء والفيزياء، المدارات الذرية هي وظيفة تسمى الموجة، والتي تصف الخصائص المميزة لما لا يزيد عن إلكترونين في محيط أو نظام النوى، كما هو الحال في الجزيء. غالبًا ما يتم تصوير المدار على أنه منطقة ثلاثية الأبعاد يوجد بداخلها فرصة بنسبة 95 بالمائة للعثور على إلكترون.

المدارات والمدارات

عندما يتحرك الكوكب حول الشمس، فإنه يتتبع مسارًا يسمى المدار. وبالمثل، يمكن تمثيل الذرة كإلكترونات تدور في مدار حول النواة. في الواقع، الأمور مختلفة، وتوجد الإلكترونات في مناطق من الفضاء تعرف بالمدارات الذرية. تكتفي الكيمياء بنموذج مبسط للذرة لحساب معادلة شرودنغر الموجية، وبالتالي تحديد الحالات المحتملة للإلكترون.

تبدو المدارات والمدارات متشابهة، لكن لها معاني مختلفة تمامًا. ومن المهم للغاية فهم الفرق بين الاثنين.

عدم القدرة على مدارات الصورة

لرسم مسار شيء ما، عليك أن تعرف بالضبط مكان وجود الجسم وتكون قادرًا على تحديد مكانه في لحظة. وهذا مستحيل بالنسبة للإلكترون.

وبناءً على ذلك، فإنه من المستحيل معرفة مكان تواجد الجسيم بالضبط في هذه اللحظة وأين سينتهي به الأمر لاحقًا. (في الواقع، المبدأ يقول أنه من المستحيل تحديد عزمه وزخمه في وقت واحد وبدقة مطلقة).

لذلك، من المستحيل بناء مدار لحركة الإلكترون حول النواة. هل هذه مشكلة كبيرة؟ لا. إذا كان هناك شيء مستحيل، فيجب عليك قبوله وإيجاد طرق للتغلب عليه.

إلكترون الهيدروجين - مدار 1 ثانية

لنفترض أن هناك ذرة هيدروجين واحدة، وفي وقت معين تم التقاط موضع إلكترون واحد بيانياً. وبعد فترة وجيزة، يتم تكرار الإجراء ويكتشف المراقب أن الجسيم في موضع جديد. كيف انتقلت من المركز الأول إلى الثاني غير معروف.

إذا واصلت التصرف بهذه الطريقة، فسوف تتشكل تدريجيًا خريطة ثلاثية الأبعاد للموقع المحتمل للجسيم.

وفي هذه الحالة، يمكن للإلكترون أن يتواجد في أي مكان داخل الفضاء الكروي المحيط بالنواة. يوضح الرسم البياني مقطعًا عرضيًا لهذا الفضاء الكروي.

في 95% من الحالات (أو أي نسبة أخرى، نظرًا لأن حجم الكون وحده هو الذي يمكن أن يوفر يقينًا بنسبة مائة بالمائة) سيكون الإلكترون موجودًا داخل منطقة من الفضاء يمكن تحديدها بسهولة إلى حد ما، بالقرب من النواة إلى حد ما. وتسمى هذه المنطقة المدارية. المدارات الذرية هي مناطق في الفضاء يوجد فيها إلكترون.

ماذا يفعل هناك؟ نحن لا نعرف، لا نستطيع أن نعرف، وبالتالي نتجاهل هذه المشكلة بكل بساطة! لا يمكننا إلا أن نقول أنه إذا كان الإلكترون في مدار معين، فإنه سيكون له طاقة معينة.

كل مداري له اسم.

يُطلق على الفضاء الذي يشغله إلكترون الهيدروجين اسم المدار 1s. الوحدة هنا تعني أن الجسيم موجود في مستوى الطاقة الأقرب إلى النواة. يتحدث S عن شكل المدار. المدارات S متناظرة كرويًا حول النواة - على الأقل مثل كرة مجوفة من مادة كثيفة إلى حد ما مع وجود النواة في مركزها.

2 ثانية

المدار التالي هو 2S. وهو مشابه لـ 1s، باستثناء أن المنطقة التي من المرجح أن يوجد فيها الإلكترون تقع بعيدًا عن النواة. هذا مدار من مستوى الطاقة الثاني.

إذا نظرت عن كثب، ستلاحظ أنه بالقرب من النواة توجد منطقة أخرى ذات كثافة إلكترون أعلى قليلاً (الكثافة هي طريقة أخرى للإشارة إلى احتمال وجود هذا الجسيم في موقع معين).

تقضي إلكترونات 2s (و3s، 4s، وما إلى ذلك) جزءًا من وقتها بالقرب من مركز الذرة أكثر مما هو متوقع. والنتيجة هي انخفاض طفيف في طاقتهم في المدارات s. كلما اقتربت الإلكترونات من النواة، انخفضت طاقتها.

تقع المدارات 3 و 4 (وما إلى ذلك) بعيدًا عن مركز الذرة.

المدارات P

لا تسكن جميع الإلكترونات في مدارات (في الواقع، عدد قليل جدًا منها يفعل ذلك). في الأول، الموقع الوحيد المتاح لهم هو 1s، وفي الثاني، تتم إضافة 2s و2p.

تشبه المدارات من هذا النوع بالونين متطابقين، متصلين ببعضهما البعض في النواة. يوضح الشكل مقطعًا عرضيًا لمنطقة ثلاثية الأبعاد من الفضاء. مرة أخرى، يُظهر المدار المنطقة فقط بفرصة 95 بالمائة للعثور على إلكترون فردي.

إذا تخيلنا مستوى أفقيًا يمر عبر النواة بحيث يكون أحد أجزاء المدار فوق المستوى والآخر تحته، فإن احتمال العثور على إلكترون على هذا المستوى صفر. إذًا كيف يمكن لجسيم أن ينتقل من جزء إلى آخر إذا لم يتمكن أبدًا من المرور عبر مستوى النواة؟ ويرجع ذلك إلى طبيعته الموجية.

على عكس المدار s، فإن المدار p له اتجاه محدد.

في أي مستوى طاقة، من الممكن أن يكون لديك ثلاثة مدارات p متكافئة تمامًا وتقع بزوايا قائمة مع بعضها البعض. يتم الإشارة إليها بشكل تعسفي بالرموز p x و p y و p z. يتم ذلك من أجل الراحة - فالمقصود بالاتجاهات X أو Y أو Z يتغير باستمرار مع تحرك الذرة بشكل عشوائي في الفضاء.

تسمى المدارات P في مستوى الطاقة الثاني 2p x و 2p y و 2p z. هناك مدارات مماثلة في المدارات اللاحقة - 3p x، 3p y، 3p z، 4p x، 4p y، 4p z وما إلى ذلك.

جميع المستويات، باستثناء المستوى الأول، لها مدارات p. في المستويات الأعلى، تكون "الفصوص" أكثر استطالة، مع كون الموقع الأرجح للإلكترون بعيدًا عن النواة.

د- و-المدارات

بالإضافة إلى المدارات s وp، هناك مجموعتان أخريان من المدارات المتاحة للإلكترونات عند مستويات الطاقة الأعلى. في الثالث، من الممكن وجود خمسة مدارات d (بأشكال وأسماء معقدة)، بالإضافة إلى مدارات 3s و3p (3p x، 3p y، 3p z). في المجموع هناك 9 منهم هنا.

في الرابع، إلى جانب 4s و4p و4d، تظهر 7 مدارات f إضافية - إجمالي 16، وهي متاحة أيضًا في جميع مستويات الطاقة الأعلى.

وضع الإلكترونات في المدارات

يمكن اعتبار الذرة منزلًا فاخرًا جدًا (مثل الهرم المقلوب) حيث تعيش النواة في الطابق الأرضي وغرف مختلفة في الطوابق العليا تشغلها الإلكترونات:

• يوجد في الطابق الأرضي غرفة واحدة فقط (1 غرف)؛
• في الثانية هناك بالفعل 4 غرف (2s، 2p x، 2p y و 2p z)؛
• يوجد في الطابق الثالث 9 غرف (واحدة 3s، وثلاث 3p، وخمسة مدارات ثلاثية الأبعاد) وهكذا.

لكن الغرف ليست كبيرة جدًا. يمكن أن يحتوي كل واحد منهم على إلكترونين فقط.

إحدى الطرق الملائمة لإظهار المدارات الذرية التي توجد بها جسيمات معينة هي رسم "خلايا كمية".

الخلايا الكمومية

يمكن تمثيل المدارات الذرية على شكل مربعات مع تصوير الإلكترونات الموجودة فيها على شكل أسهم. غالبًا ما يتم استخدام الأسهم لأعلى ولأسفل لإظهار أن هذه الجسيمات تختلف عن بعضها البعض.

إن الحاجة إلى إلكترونات مختلفة في الذرة هي نتيجة لنظرية الكم. إذا كانا في مدارات مختلفة، فهذا رائع، ولكن إذا كانا في نفس المدار، فيجب أن يكون هناك بعض الاختلاف الدقيق بينهما. تعطي نظرية الكم للجسيمات خاصية تسمى "الدوران"، وهو ما يشير إليه اتجاه الأسهم.

تم تصوير المدار 1s الذي يحتوي على إلكترونين على شكل مربع به سهمان يشيران إلى الأعلى والأسفل، ولكن يمكن أيضًا كتابته بسرعة أكبر كـ 1s 2 . يُقرأ هذا على أنه "واحد اثنان" بدلاً من "واحد تربيع". لا ينبغي الخلط بين الأرقام في هذه التسميات. الأول يدل على مستوى الطاقة، والثاني عدد الجزيئات في المدار.

تهجين

في الكيمياء، التهجين هو مفهوم خلط المدارات الذرية في مدارات هجينة جديدة قادرة على اقتران الإلكترونات لتكوين روابط كيميائية. يشرح تهجين Sp الترابط الكيميائي للمركبات مثل الألكينات. في هذا النموذج، تمتزج المدارات الذرية 2s و 2p لتكوين مدارين sp. يتكون الأسيتيلين C 2 H 2 من تشابك sp-sp لذرتي كربون لتكوين رابطة σ ورابطتين π إضافيتين.

تحتوي المدارات الذرية للكربون في الهيدروكربونات المشبعة على مدارات هجينة متطابقة sp 3، على شكل الدمبل، وجزء منها أكبر بكثير من الآخر.

يشبه تهجين Sp 2 التهجينات السابقة ويتم تشكيله عن طريق خلط مدار واحد s واثنين من المدارات p. على سبيل المثال، في جزيء الإيثيلين يتم تشكيل ثلاثة مدار sp 2 وواحد p مداري.

المدارات الذرية: مبدأ الملء

من خلال تخيل التحولات من ذرة إلى أخرى في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية، من الممكن إنشاء البنية الإلكترونية للذرة التالية عن طريق وضع جسيم إضافي في المدار التالي المتاح.

قبل أن تملأ الإلكترونات مستويات الطاقة الأعلى، تحتل الإلكترونات مستويات أقل تقع بالقرب من النواة. عندما يكون هناك خيار، فإنهم يملؤون المدارات بشكل منفصل.

يُعرف أمر التعبئة هذا بقاعدة هوند. يتم استخدامه فقط عندما تكون المدارات الذرية ذات طاقات متساوية ويساعد أيضًا في تقليل التنافر بين الإلكترونات، مما يجعل الذرة أكثر استقرارًا.

تجدر الإشارة إلى أن المدار s دائمًا ما يكون لديه طاقة أقل قليلاً من المدار p عند نفس مستوى الطاقة، لذا فإن الأول دائمًا ما يكون ممتلئًا قبل الأخير.

الأمر الغريب حقًا هو موضع المدارات ثلاثية الأبعاد. وهي في مستوى أعلى من 4s، وبالتالي فإن المدارات 4s تمتلئ أولاً، تليها جميع المدارات 3d و4p.

ويحدث نفس الارتباك في المستويات الأعلى مع زيادة التشابك بينها. لذلك، على سبيل المثال، لا يتم ملء المدارات الذرية 4f حتى يتم شغل جميع الأماكن في 6s.

تعد معرفة ترتيب التعبئة أمرًا أساسيًا لفهم كيفية وصف الهياكل الإلكترونية.

وفقًا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرج، لا يمكن تحديد موضع الإلكترون وزخمه بدقة مطلقة في وقت واحد. ومع ذلك، على الرغم من استحالة تحديد موضع الإلكترون بدقة، فمن الممكن الإشارة إلى احتمال وجود الإلكترون في موضع معين في أي وقت معين. تسمى منطقة الفضاء التي يوجد فيها احتمال كبير للعثور على إلكترون بالمدار. لا ينبغي ربط مفهوم "المدار" بمفهوم المدار المستخدم في نظرية بور. في نظرية بور، يشير المدار إلى مسار (مسار) الإلكترون حول النواة.

يمكن للإلكترونات أن تشغل أربعة أنواع مختلفة من المدارات، تسمى المدارات s- وp- وd- وf. يمكن تمثيل هذه المدارات بأسطح ثلاثية الأبعاد تحيط بها. وعادة ما يتم اختيار مناطق الفضاء التي يحدها هذه الأسطح بحيث يكون احتمال العثور على إلكترون واحد داخلها 95%. في التين. يوضح الشكل 1.18 بشكل تخطيطي شكل المدارات s و-. المدار s كروي، والمدار على شكل دمبل.

وبما أن الإلكترون له شحنة سالبة، فيمكن اعتبار مداره بمثابة نوع من توزيع الشحنة. يُطلق على هذا التوزيع عادةً اسم السحابة الإلكترونية (الشكل 1.19).

أرز. 1.18. شكل المدارات s و p.

أرز. 1.19. سحابة الإلكترون في المقطع العرضي. تمثل الدائرة المنطقة المحيطة بالنواة والتي يكون احتمال العثور على الإلكترون فيها 95%.

عند مناقشة الخواص الكيميائية للذرات والجزيئات - البنية والتفاعلية - يمكن أن تكون فكرة الشكل المكاني للمدارات الذرية ذات فائدة كبيرة في الحل النوعي لمسألة معينة. في الحالة العامة، يتم كتابة AOs في شكل معقد، ولكن باستخدام مجموعات خطية من الوظائف المعقدة المرتبطة بنفس مستوى الطاقة مع رقم الكم الرئيسي صوبنفس قيمة الزخم المداري/، من الممكن الحصول على تعبيرات بشكل حقيقي يمكن تصويرها في الفضاء الحقيقي.

دعونا نفكر بالتسلسل في سلسلة من AOs في ذرة الهيدروجين.

تبدو الدالة الموجية للحالة الأرضية 4^ أكثر بساطة. لديها التماثل الكروي

يتم تحديد قيمة a بواسطة التعبير حيث القيمة

مُسَمًّى نصف قطر بور.يشير نصف قطر بور إلى الأحجام المميزة للذرات. تحدد قيمة 1/oc مقياس التحلل المميز للوظائف في ذرات الإلكترون الواحد

من (EVL) يتضح أن حجم ذرات الإلكترون الواحد يتقلص مع زيادة الشحنة النووية بنسبة عكسية مع قيمة Z. على سبيل المثال، في ذرة He + ستنخفض الدالة الموجية بسرعة مضاعفة كما في ذرة الهيدروجين ذرة بمسافة مميزة قدرها 0.265 أ.

يظهر في الشكل اعتماد *F ls على المسافة. 3.3. الحد الأقصى للدالة *Fj عند الصفر. العثور على إلكترون داخل النواة لا ينبغي أن يكون مفاجئًا للغاية، حيث لا يمكن تصور النواة على أنها كرة لا يمكن اختراقها.

الحد الأقصى لاحتمال اكتشاف إلكترون على مسافة ما من النواة في الحالة الأرضية لذرة الهيدروجين يحدث عند ص = أ 0 = 0.529 أ. ويمكن العثور على هذه القيمة على النحو التالي. احتمال العثور على إلكترون في حجم صغير أ الخامسيساوي |*P| 2 دي واي. مقدار للمركباتنحن نفترض أن قيمة الدالة الموجية صغيرة جدًا بحيث يمكن اعتبار قيمة الدالة الموجية ثابتة ضمن هذا الحجم الصغير. نحن مهتمون باحتمال العثور على إلكترون على مسافة زمن القلب في طبقة رقيقة من سمك أ ز.منذ احتمال العثور على الإلكترون على مسافة زلا يعتمد على الاتجاه والاتجاه المحدد لا يهمنا، إذن نحتاج إلى إيجاد احتمال بقاء الإلكترون في طبقة كروية رقيقة جدًا سمكها A ز.منذ القيمة | الخامس و| 2 من السهل حسابها، ونحن في حاجة إليها

أرز. 3.3. اعتماد *F 1s على المسافة. يتم تطبيع قيم الدالة إلى قيمتها في r = O

أرز. 3.4.مخطط لحساب حجم الطبقة الكروية

أوجد حجم الطبقة الكروية التي نرمز لها بالرمز A K. وهو يساوي الفرق في حجم كرتين بنصف قطر زو ز + ع(الشكل 3.4):

منذ أ زقليلا مقارنة ب ز،ثم عند حساب القيمة (ز+ Ar) 3 يمكننا أن نقتصر على المصطلحين الأولين. ثم نحصل على حجم الطبقة الكروية

يمكن الحصول على التعبير الأخير بطريقة أبسط. منذ أ زقليلا مقارنة ب ز،ثم يمكن اعتبار حجم الطبقة الكروية مساويا لمنتج مساحة الطبقة الكروية وسمكها (انظر الشكل 3.4). مساحة الكرة هي 4 كجم 2،وسمك أ ز.حاصل ضرب هاتين الكميتين يعطي نفس التعبير (3.11).

لذلك الاحتمال دبليوالعثور على الإلكترون في هذه الطبقة يساوي

التعبير عن *P ls مأخوذ من الملحق 3.1. إذا أخذنا في الاعتبار قيمة A زثابت، ثم يتم ملاحظة الحد الأقصى للوظيفة المخفضة عند ز = 0 .

إذا كنت تريد أن تعرف ما هو الاحتمال دبليوكشف الإلكترون في الحجم الخامس،فمن الضروري دمج الكثافة الاحتمالية لاكتشاف الإلكترون في هذه المنطقة من الفضاء وفقًا للتعبير (3.6).

على سبيل المثال، ما هو احتمال اكتشاف إلكترون في ذرة هيدروجين في منطقة كروية من الفضاء مركزها النواة ونصف قطرها x 0. ثم

هنا القيمة د الخامسخلال الحسابات تم استبداله بـ 4 كجم 1 دقياساً على (3.11)، حيث أن الدالة الموجية تعتمد فقط على المسافة وبالتالي ليست هناك حاجة للتكامل على الزوايا بسبب غياب الاعتماد الزاوي للدالة القابلة للتكامل.

يتم إعطاء فكرة نوعية عن توزيع الدالة الموجية في الفضاء من خلال صورة المدارات الذرية على شكل سحب، وكلما زاد اللون كثافة، ارتفعت قيمة الدالة H". وسيبدو المداري كما يلي: هذا (الشكل 3.5):

أرز. 3.5.

مداري 2ب ض بيظهر شكل السحابة في الشكل. 3.6.

أرز. 3.6.صورة للمدار 2p g لذرة الهيدروجين على شكل سحابة

وبطريقة مماثلة، سيبدو توزيع كثافة الإلكترون مثل السحابة، والتي يمكن إيجادها عن طريق ضرب الكثافة الاحتمالية I"Fj 2 بشحنة الإلكترون. في هذه الحالة، يتحدثون أحيانًا عن تلطيخ الإلكترون. ومع ذلك، هذا ليس بأي حال من الأحوال يعني أننا نتعامل مع تلطيخ الإلكترون عبر الفضاء - لا يحدث تلطيخ حقيقي للإلكترون عبر الفضاء، وبالتالي لا يمكن تمثيل ذرة الهيدروجين كنواة مغمورة في سحابة حقيقية ذات شحنة سالبة.

ومع ذلك، نادرا ما تستخدم مثل هذه الصور في شكل السحب، وفي كثير من الأحيان يتم استخدام الخطوط لإنشاء فكرة عن الاعتماد الزاوي للوظائف H". للقيام بذلك، احسب قيم H" على كرة مرسومة على مسافة معينة من النواة. ثم يتم رسم القيم المحسوبة على نصف القطر، مما يشير إلى علامة وظائف Ch" لقسم المستوى الأكثر إفادة لوظيفة Ch" معينة. على سبيل المثال، عادة ما يتم تصوير المدار Is على شكل دائرة (الشكل 3.7).

أرز.

في التين. 3.8 2/> r- المداري مبني على كرة نصف قطرها معين. للحصول على صورة مكانية، من الضروري تدوير الشكل بالنسبة للمحور z. يشير الفهرس "z" عند كتابة دالة إلى اتجاه الدالة على طول المحور "z". تتوافق الإشارات "+" و "-" مع إشارات الدالة H". تكون قيم الدالة 2/؟ z موجبة في منطقة الفضاء حيث يكون إحداثي ^ موجبًا وسالبًا في المنطقة التي يكون فيها إحداثي ^ سالبًا.

أرز. 3.8.استمارة 2ص ض-المدارات. بنيت على مجال من نصف القطر

والوضع مشابه في حالة المدارات المتبقية. على سبيل المثال 2/؟ يتم توجيه المدار x على طول المحور x ويكون موجبًا في ذلك الجزء من الفضاء حيث يكون الإحداثي x موجبًا، وتكون قيمه سالبة حيث تكون قيم الإحداثي x سالبة (الشكل 3.9).

تعتبر صورة الدوال الموجية التي تشير إلى العلامة مهمة للوصف النوعي لتفاعلية المركبات الكيميائية، وبالتالي فإن الصور مثل تلك الموضحة في الشكل 1. تم العثور على 3.9 في أغلب الأحيان في الأدبيات الكيميائية.

دعونا الآن نفكر في المدارات d (الشكل 3.10). المدارات Dxy, dxz, dyz,تبدو معادلة. يتم تحديد اتجاهها وعلاماتها من خلال الاشتراكات: الفهرس xyعروض

أرز. 3.9.استمارة 2ع س -المدارات. بنيت على مجال من نصف القطر

أن المدار موجه بزاوية 45 درجة بالنسبة لـ x والمحاور فيوأن إشارة الدالة Y موجبة حيث يكون حاصل ضرب المؤشرين x و فيبشكل ايجابي.

أرز. 3.10.

الوضع مشابه للمدارات ^/- المتبقية. صورة المدارات ^/- الموضحة في الشكل. 3.10، غالبا ما توجد في الأدب. ويمكن ملاحظة أن المدارات د , د x2 _ y2 , د z2 ليست متكافئة. المدارات فقط متكافئة د، د XZ، د YZ.إذا كانت هناك حاجة إلى خمسة مدارات ^/- مكافئة لوصف بنية الجزيء، فيمكن بناؤها باستخدام مجموعات خطية من المدارات.

16828 0

نظرا لحقيقة أنه عند وصف العناصر، يتم تقسيمها إلى مجموعات ذات مدارات مختلفة، دعونا نتذكر بإيجاز شديد جوهر هذا المفهوم.

وفقا لنموذج بور للذرة، تدور الإلكترونات حول النواة في مدارات دائرية (أغلفة). تحتوي كل قذيفة على مستوى طاقة محدد بدقة وتتميز بعدد كمي معين. في الطبيعة، هناك طاقات إلكترونية معينة فقط ممكنة، أي الطاقات المدارية المنفصلة (المكممة) ("المسموح بها"). تحدد نظرية بور الأغلفة الإلكترونية K، L، M، N وأكثر بترتيب الأبجدية اللاتينية، وفقًا لمستوى الطاقة المتزايد للأصداف، رقم الكم الرئيسي ن، يساوي 1، 2، 3، 4، الخ. وتبين فيما بعد أن الأغلفة الإلكترونية تنقسم إلى أغلفة فرعية، ويتميز كل منها بمستوى معين من الطاقة الكمومية، ويتميز بـ رقم الكم المداري l.

وفق مبدأ عدم اليقينهايزنبرغ، من المستحيل تحديد موقع الإلكترون بدقة في أي وقت. ومع ذلك، يمكنك الإشارة إلى احتمال حدوث ذلك. تسمى منطقة الفضاء التي يكون فيها احتمال العثور على إلكترون أعلى بالمدار. يمكن أن تشغل الإلكترونات 4 مدارات من أنواع مختلفة، تسمى المدارات s- (حادة)، p- (الرئيسية)، d- (المنتشرة) و f- (الأساسية). في السابق، كانت هذه الحروف تشير إلى الخطوط الطيفية للهيدروجين، لكنها تستخدم حاليًا كرموز فقط، دون فك التشفير.

يمكن تمثيل المدارات على شكل أسطح ثلاثية الأبعاد. وعادةً ما يتم اختيار مناطق الفضاء التي يحدها هذه الأسطح بحيث يكون احتمال اكتشاف إلكترون بداخلها 95%. يظهر الشكل التخطيطي للمدارات. 1.

أرز. 1.

المدار s له شكل كروي، والمدار p له شكل الدمبل، والمدار d له شكل دمبلين متقاطعين في مستويين عقديين متعامدين بشكل متبادل، ويتكون الغلاف الفرعي s من مدار s واحد، يحتوي الغلاف الفرعي p على 3 مدارات p، والغلاف الفرعي d يحتوي على 5 مدارات d.

إذا لم يتم تطبيق أي مجال مغناطيسي، فإن جميع المدارات ذات المستوى الفرعي الواحد سيكون لها نفس الطاقة؛ في هذه الحالة يطلق عليهم اسم المنحطين. ومع ذلك، في مجال مغناطيسي خارجي، تنقسم الأغلفة الفرعية (تأثير زيمان). هذا التأثير ممكن لجميع المدارات باستثناء المدار s. ويتميز عدد الكم المغناطيسي t. يُستخدم تأثير زيمان في مقاييس طيف الامتصاص الذري الحديثة (AASP) لزيادة حساسيتها وتقليل حد الكشف في التحليلات العنصرية.

بالنسبة لعلم الأحياء والطب، من المهم أن تكون المدارات ذات نفس التناظر، أي بنفس الأرقام l وm، ولكن بقيمة مختلفة لعدد الكم الرئيسي (على سبيل المثال، المدارات 1s، 2s، 3s، 4s)، تختلف في حجمها النسبي. يكون حجم الفضاء الداخلي لمدارات الإلكترون أكبر بالنسبة للذرات ذات القيمة n الكبيرة. الزيادة في حجم المدار تكون مصحوبة بتخفيفه. أثناء التكوين المعقد، يلعب حجم الذرة دورًا مهمًا، لأنه يحدد بنية مركبات التنسيق. في الجدول ويبين الشكل 1 العلاقة بين عدد الإلكترونات وعدد الكم الرئيسي.

الجدول 1. عدد الإلكترونات عند قيم مختلفة لعدد الكم n

بالإضافة إلى أرقام الكم الثلاثة المسماة، والتي تميز خصائص الإلكترونات في كل ذرة، هناك واحد آخر - تدور عدد الكم س ، لا يميز الإلكترونات فحسب، بل النوى الذرية أيضًا.

المواد العضوية الحيوية الطبية. ج.ك. باراشكوف

معدد الكمية.

يتم حساب الدالة الموجية باستخدام معادلة شرودنغر الموجية في إطار تقريب الإلكترون الواحد (طريقة هارتري-فوك) كدالة موجية لإلكترون يقع في مجال متسق ذاتياً خلقته النواة الذرية مع جميع الإلكترونات الأخرى في الذرة. ذرة.

E. اعتبر شرودنغر نفسه أن الإلكترون الموجود في الذرة عبارة عن سحابة سالبة الشحنة، تتناسب كثافتها مع مربع قيمة الدالة الموجية عند النقطة المقابلة للذرة. وبهذا الشكل، تم أيضًا قبول مفهوم السحابة الإلكترونية في الكيمياء النظرية.

ومع ذلك، فإن معظم علماء الفيزياء لم يشاركوا معتقدات E. Schrödinger - لم يكن هناك دليل على وجود الإلكترون باعتباره "سحابة مشحونة سلبا". أثبت ماكس بورن التفسير الاحتمالي لمربع الدالة الموجية. في عام 1950، كتب إ. شرودنغر في مقالته "ما هو الجسيم الأولي؟" أنا مجبر على الاتفاق مع حجج م. بورن، الذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1954 بصيغة "للأبحاث الأساسية في مجال ميكانيكا الكم، وخاصة التفسير الإحصائي للدالة الموجية".

الأعداد الكمومية والتسميات المدارية

توزيع الكثافة الاحتمالية الشعاعية للمدارات الذرية في مختلف نو ل.

• عدد الكم الرئيسي نيمكن أن تأخذ أي قيمة عددية موجبة، بدءًا من واحد ( ن= 1,2,3, … ∞) ويحدد إجمالي طاقة الإلكترون في مدار معين (مستوى الطاقة):

الطاقة ل ن= ∞ يتوافق مع طاقة التأين أحادي الإلكترون لمستوى طاقة معين.

• يحدد رقم الكم المداري (ويسمى أيضًا رقم السمت أو الكم التكميلي) الزخم الزاوي للإلكترون ويمكن أن يأخذ قيمًا صحيحة من 0 إلى ن - 1 (ل = 0,1, …, ن- 1). يتم إعطاء الزخم الزاوي من خلال العلاقة

تتم تسمية المدارات الذرية عادةً بحرف رقمها المداري:

تأتي تسميات الحروف للمدارات الذرية من وصف الخطوط الطيفية في الأطياف الذرية: س (حاد) - سلسلة حادة في الأطياف الذرية، ص (رئيسي)- بيت، د (منتشر) - منتشر، F (أساسي) - أساسي.

• عدد الكم المغناطيسي م ليحدد إسقاط الزخم الزاوي المداري على اتجاه المجال المغناطيسي ويمكن أن يأخذ قيمًا صحيحة في المدى من - لقبل ل، بما في ذلك 0 ( م ل = -ل … 0 … ل):

في الأدبيات، يُشار إلى المدارات بمزيج من الأرقام الكمومية، حيث يُشار إلى رقم الكم الرئيسي برقم، ورقم الكم المداري بالحرف المقابل (انظر الجدول أدناه) ورقم الكم المغناطيسي بتعبير منخفض يوضح إسقاط المداري على المحاور الديكارتية x، y، z، على سبيل المثال 2 ع س, 3d س ص, 4f ض(x²-y²). بالنسبة لمدارات غلاف الإلكترون الخارجي، أي في حالة وصف إلكترونات التكافؤ، عادة ما يتم حذف رقم الكم الرئيسي في التدوين المداري.

التمثيل الهندسي

التمثيل الهندسي للمدار الذري هو منطقة من الفضاء يحدها سطح متساوي الكثافة (سطح التوازن) من الاحتمالية أو الشحنة. يتم اختيار كثافة الاحتمال على السطح الحدودي بناءً على المشكلة التي يتم حلها، ولكن عادةً بطريقة يكون فيها احتمال العثور على إلكترون في منطقة محدودة في نطاق القيم 0.9-0.99.

بما أن طاقة الإلكترون يتم تحديدها بواسطة تفاعل كولوم، وبالتالي المسافة من النواة، فإن رقم الكم الرئيسي نيحدد حجم المداري.

يتم تحديد شكل وتماثل المداري بواسطة أرقام الكم المدارية لو م: س- المدارات متناظرة كرويا، ص, دو F-المدارات لها شكل أكثر تعقيدًا، تحدده الأجزاء الزاوية من الدالة الموجية - الدوال الزاوية. الدوال الزاوية Y lm (φ, θ) - الوظائف الذاتية لمشغل الزخم الزاوي المربع L²، اعتمادًا على أرقام الكم لو م(انظر الدوال الكروية)، معقدة وتصف في الإحداثيات الكروية (φ، θ) الاعتماد الزاوي لاحتمال العثور على إلكترون في المجال المركزي للذرة. يحدد الجمع الخطي لهذه الوظائف موقع المدارات بالنسبة إلى محاور الإحداثيات الديكارتية.

بالنسبة للمجموعات الخطية Y lm يتم قبول الرموز التالية:

قيمة عدد الكم المداري	0	1	1	1	2	2	2	2	2
قيمة عدد الكم المغناطيسي	0	0			0
تركيبة خطية
تعيين

هناك عامل إضافي يؤخذ في الاعتبار أحيانًا في التمثيل الهندسي وهو إشارة الدالة الموجية (الطور). هذا العامل مهم بالنسبة للمدارات ذات العدد الكمي المداري ل، يختلف عن الصفر، أي أنه ليس له تماثل كروي: علامة الدالة الموجية لـ "بتلاتها" الموجودة على جوانب متقابلة من المستوى العقدي تكون عكسية. يتم أخذ علامة الدالة الموجية في الاعتبار في الطريقة المدارية الجزيئية MO LCAO (المدارات الجزيئية كمجموعة خطية من المدارات الذرية). يعرف العلم اليوم معادلات رياضية تصف أشكالًا هندسية تمثل المدارات (اعتمادًا على إحداثيات الإلكترون مقابل الزمن). هذه هي معادلات التذبذبات التوافقية التي تعكس دوران الجسيمات على جميع درجات الحرية المتاحة - الدوران المداري، الدوران،... يتم تمثيل تهجين المدارات كتداخل للتذبذبات.

ملء المدارات بالإلكترونات والتكوين الإلكتروني للذرة

يمكن أن يحتوي كل مدار على ما لا يزيد عن إلكترونين، ويختلفان في قيمة العدد الكمي المغزلي س(خلف). يتم تحديد هذا الحظر بمبدأ باولي. ترتيب ملء المدارات من نفس المستوى بالإلكترونات (المدارات التي لها نفس قيمة عدد الكم الرئيسي) ن) يتم تحديدها بواسطة قاعدة كليتشكوفسكي، الترتيب الذي تملأ به الإلكترونات المدارات ضمن مستوى فرعي واحد (المدارات التي لها نفس قيم عدد الكم الرئيسي نوعدد الكم المداري ل) يتم تحديده بواسطة قاعدة هوند.

سجل مختصر لتوزيع الإلكترونات في الذرة على الأغلفة الإلكترونية المختلفة للذرة، مع الأخذ في الاعتبار أعدادها الكمية الرئيسية والمدارية نو لمُسَمًّى