Kimya ve fizikte atomik yörüngeler, bir molekülde olduğu gibi çekirdeklerin çevresinde veya sisteminde en fazla iki elektronun özelliklerini tanımlayan, dalga adı verilen bir fonksiyondur. Bir yörünge genellikle içinde bir elektron bulma şansının yüzde 95 olduğu üç boyutlu bir bölge olarak tasvir edilir.

Yörüngeler ve yörüngeler

Bir gezegen Güneş etrafında hareket ederken yörünge adı verilen bir yol izler. Benzer şekilde bir atom, çekirdeğin etrafında yörüngede dönen elektronlar olarak temsil edilebilir. Gerçekte ise durum farklıdır ve elektronlar uzayın atomik yörüngeler olarak bilinen bölgelerinde bulunur. Kimya, Schrödinger dalga denklemini hesaplamak ve buna göre elektronun olası durumlarını belirlemek için basitleştirilmiş bir atom modeliyle yetinir.

Yörüngeler ve yörüngeler kulağa benzer geliyor ancak anlamları tamamen farklı. İkisi arasındaki farkı anlamak son derece önemlidir.

Yörüngeleri görüntüleyememe

Bir şeyin yörüngesini çizmek için, nesnenin tam olarak nerede olduğunu bilmeniz ve nerede olacağını anında belirleyebilmeniz gerekir. Bu bir elektron için imkansızdır.

Buna göre parçacığın şu anda tam olarak nerede olduğunu ve daha sonra nereye varacağını tam olarak bilmek mümkün değildir. (Aslında prensip, onun momentini ve momentumunu aynı anda ve mutlak doğrulukla belirlemenin imkânsız olduğunu söylüyor).

Bu nedenle çekirdeğin etrafında bir elektron hareketi yörüngesi oluşturmak imkansızdır. Bu büyük bir sorun mu? HAYIR. Eğer bir şey imkansızsa, onu kabul etmeli ve etrafından dolaşmanın yollarını bulmalısınız.

Hidrojen elektronu - 1s yörünge

Bir hidrojen atomunun olduğunu ve belirli bir zamanda bir elektronun konumunun grafiksel olarak yakalandığını varsayalım. Bundan kısa bir süre sonra prosedür tekrarlanır ve gözlemci parçacığın yeni bir konumda olduğunu keşfeder. Birinci sıradan ikinci sıraya nasıl çıktığı bilinmiyor.

Bu şekilde hareket etmeye devam ederseniz parçacığın olası konumunun bir tür 3 boyutlu haritası yavaş yavaş oluşacaktır.

Bu durumda elektron, çekirdeği çevreleyen küresel uzayın herhangi bir yerinde bulunabilir. Diyagram bu küresel uzayın bir kesitini göstermektedir.

Zamanın %95'inde (veya başka herhangi bir yüzdede, çünkü yalnızca Evren'in boyutu yüzde yüz kesinlik sağlayabilir) elektron, çekirdeğe oldukça yakın, oldukça kolay tanımlanan bir uzay bölgesinde yer alacaktır. Bu alana yörünge denir. Atomik yörüngeler, bir elektronun bulunduğu uzay bölgeleridir.

O, orda ne yapıyor? Bilmiyoruz, bilemiyoruz ve bu nedenle bu sorunu görmezden geliyoruz! Sadece bir elektronun belirli bir yörüngede olması durumunda belirli bir enerjiye sahip olacağını söyleyebiliriz.

Her yörüngenin bir adı vardır.

Hidrojen elektronunun kapladığı alana 1s yörüngesi denir. Buradaki birim, parçacığın çekirdeğe en yakın enerji düzeyinde olduğu anlamına gelir. S yörüngenin şeklinden bahsediyor. S yörüngeleri çekirdeğe göre küresel olarak simetriktir; en azından çekirdeğin merkezinde olduğu, oldukça yoğun malzemeden yapılmış içi boş bir top gibi.

2'ler

Bir sonraki yörünge 2s'dir. Elektronun bulunma olasılığının en yüksek olduğu bölgenin çekirdekten daha uzakta bulunması dışında 1'lere benzer. Bu ikinci enerji seviyesinin bir yörüngesidir.

Yakından bakarsanız, çekirdeğe daha yakın bir yerde biraz daha yüksek elektron yoğunluğuna sahip başka bir bölgenin bulunduğunu fark edeceksiniz ("yoğunluk", o parçacığın belirli bir konumda bulunma olasılığını ifade etmenin başka bir yoludur).

2'li elektronlar (ve 3'lü, 4'lü vb.) zamanlarının bir kısmını atomun merkezine beklenenden çok daha yakın geçirirler. Bunun sonucu, s yörüngelerindeki enerjilerinde hafif bir azalmadır. Elektronlar çekirdeğe yaklaştıkça enerjileri azalır.

3'lü, 4'lü yörüngeler (vb.) atomun merkezinden gittikçe daha uzağa yerleştirilir.

P-orbitalleri

Elektronların hepsi yörüngelerde yaşamaz (aslında çok azı öyledir). İlkinde onlar için mevcut olan tek konum 1'dir, ikincisinde 2'ler ve 2p eklenir.

Bu tip yörüngeler daha çok çekirdekte birbirine bağlı 2 özdeş balona benzer. Diyagram uzayın 3 boyutlu bölgesinin kesitini göstermektedir. Yine, yörünge yalnızca tek bir elektron bulma şansının yüzde 95 olduğu bölgeyi gösteriyor.

Yörüngenin bir kısmı bu düzlemin üstünde, diğer kısmı onun altında olacak şekilde çekirdeğin içinden geçen yatay bir düzlem hayal edersek, bu düzlemde elektron bulma olasılığı sıfırdır. Peki, eğer bir parçacık çekirdek düzleminden asla geçemezse bir parçadan diğerine nasıl geçebilir? Bu onun dalga doğasından kaynaklanmaktadır.

S-orbitalinden farklı olarak p-orbitalinin belirli bir yönelimi vardır.

Herhangi bir enerji seviyesinde, birbirine dik açılarda konumlanmış üç tamamen eşdeğer p yörüngesine sahip olmak mümkündür. Bunlar keyfi olarak p x, p y ve p z simgeleriyle gösterilir. Bu kolaylık sağlamak için yapılır; X, Y veya Z yönleriyle kastedilen, atom uzayda rastgele hareket ettikçe sürekli değişir.

İkinci enerji seviyesindeki P yörüngelerine 2p x, 2p y ve 2p z denir. Sonraki yörüngelerde de benzer yörüngeler vardır - 3p x, 3p y, 3p z, 4p x, 4p y, 4p z vb.

İlki hariç tüm düzeylerde p-orbitalleri bulunur. Daha yüksek seviyelerde, "loblar" daha uzundur ve elektronun büyük olasılıkla konumu çekirdekten daha uzaktadır.

d- ve f-orbitaller

S ve p yörüngelerine ek olarak, daha yüksek enerji seviyelerindeki elektronların kullanımına açık iki yörünge seti daha vardır. Üçüncüsünde, beş d-orbitalinin (karmaşık şekiller ve adlarla) yanı sıra 3s ve 3p yörüngelerin (3p x, 3p y, 3p z) varlığı mümkündür. Toplamda burada 9 tane var.

Dördüncüsünde, 4s, 4p ve 4d ile birlikte 7 ek f yörüngesi belirir; toplam 16 tane, yine tüm yüksek enerji seviyelerinde mevcuttur.

Elektronların yörüngelere yerleştirilmesi

Atomu, çekirdeğin zemin katta yaşadığı ve üst katlarda çeşitli odaların elektronlarla dolu olduğu çok süslü bir ev (ters piramit gibi) olarak düşünülebilir:

• zemin katta sadece 1 oda (1'ler) vardır;
• ikincisinde zaten 4 oda var (2s, 2p x, 2p y ve 2p z);
• üçüncü katta 9 oda (bir 3'lü, üç 3p ve beş 3d yörünge) vb. vardır.

Ancak odalar çok büyük değil. Her biri yalnızca 2 elektron içerebilir.

Belirli parçacıkların bulunduğu atomik yörüngeleri göstermenin uygun bir yolu "kuantum hücreleri" çizmektir.

Kuantum hücreleri

Atomik yörüngeler, içlerindeki elektronların oklarla gösterildiği kareler halinde temsil edilebilir. Çoğu zaman yukarı ve aşağı oklar bu parçacıkların birbirinden farklı olduğunu göstermek için kullanılır.

Bir atomda farklı elektronlara ihtiyaç duyulması kuantum teorisinin bir sonucudur. Farklı yörüngelerdeyse bu harika, ancak aynı yörüngedeyse aralarında ince bir fark olmalı. Kuantum teorisi parçacıklara "dönme" adı verilen ve okların yönünü belirten bir özellik kazandırır.

İki elektronlu 1s yörüngesi, yukarıyı ve aşağıyı gösteren iki ok bulunan bir kare olarak gösterilir, ancak 1s2 olarak daha hızlı yazılabilir. Bu, "birin karesi" yerine "birin ikisi" olarak okunur. Bu tanımlamalardaki sayılar karıştırılmamalıdır. Birincisi enerji seviyesini, ikincisi ise yörüngedeki parçacıkların sayısını gösterir.

Hibridizasyon

Kimyada hibridizasyon, atomik yörüngelerin, elektronları kimyasal bağlar oluşturacak şekilde eşleştirebilen yeni hibritlerle karıştırılması kavramıdır. Sp hibridizasyonu alkinler gibi bileşiklerin kimyasal bağlanmasını açıklar. Bu modelde, karbonun 2s ve 2p atomik yörüngeleri iki sp yörüngesi oluşturacak şekilde karışır. Asetilen C2H2, bir σ bağı ve iki ek π bağı oluşturmak üzere iki karbon atomunun sp-sp iç içe geçmesinden oluşur.

Doymuş hidrokarbonlardaki karbon atomu yörüngeleri, bir kısmı diğerinden çok daha büyük olan, dambıl şeklinde özdeş hibrit sp3 yörüngelerine sahiptir.

Sp 2 hibridizasyonu öncekilere benzer ve bir s ve iki p yörüngesinin karıştırılmasıyla oluşur. Örneğin bir etilen molekülünde üç sp2 ve bir p yörüngesi oluşur.

Atomik yörüngeler: doldurma ilkesi

Kimyasal elementlerin periyodik tablosunda bir atomdan diğerine geçişleri hayal ederek, bir sonraki mevcut yörüngeye ek bir parçacık yerleştirerek bir sonraki atomun elektronik yapısını oluşturmak mümkündür.

Elektronlar, daha yüksek enerji seviyelerini doldurmadan önce, çekirdeğe daha yakın olan daha düşük seviyeleri işgal eder. Seçimin olduğu yerde yörüngeleri ayrı ayrı doldururlar.

Bu doldurma sırası Hund kuralı olarak bilinir. Yalnızca atomik yörüngeler eşit enerjilere sahip olduğunda kullanılır ve ayrıca elektronlar arasındaki itmeyi en aza indirmeye yardımcı olarak atomu daha kararlı hale getirir.

Aynı enerji düzeyinde s yörüngesinin her zaman p yörüngesinden biraz daha az enerjiye sahip olduğuna, dolayısıyla birincisinin her zaman ikincisinden önce dolduğuna dikkat edilmelidir.

Gerçekten tuhaf olan 3 boyutlu yörüngelerin konumudur. 4'lerden daha yüksek bir seviyededirler ve bu nedenle önce 4'lü yörüngeler doldurulur, ardından tüm 3d ve 4p yörüngeleri gelir.

Aynı kafa karışıklığı daha yüksek seviyelerde de ortaya çıkıyor ve aralarında daha fazla iç içe geçiyor. Bu nedenle, örneğin 4f atomik yörüngeleri, 6'lardaki tüm yerler doldurulana kadar dolmaz.

Doldurma sırasını bilmek, elektronik yapıların nasıl tanımlanacağını anlamanın merkezinde yer alır.

Heisenberg'in belirsizlik ilkesine göre bir elektronun konumu ve momentumu aynı anda mutlak doğrulukla belirlenemez. Ancak bir elektronun konumunu tam olarak belirlemek mümkün olmasa da, bir elektronun herhangi bir zamanda belirli bir konumda bulunma olasılığını belirlemek mümkündür. Elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu uzay bölgesine yörünge denir. "Yörünge" kavramı, Bohr'un teorisinde kullanılan yörünge kavramıyla özdeşleştirilmemelidir. Bohr'un teorisinde yörünge, bir elektronun çekirdek etrafındaki yörüngesini (yolunu) ifade eder.

Elektronlar s-, p-, d- ve f-orbitalleri olarak adlandırılan dört farklı türde yörüngeyi işgal edebilir. Bu yörüngeler, onları sınırlayan üç boyutlu yüzeylerle temsil edilebilir. Bu yüzeylerin sınırladığı uzay bölgeleri genellikle bu bölgelerde tek bir elektron bulma olasılığı %95 olacak şekilde seçilir. İncirde. Şekil 1.18 s- ve -orbitallerin şeklini şematik olarak göstermektedir. S-orbital küreseldir ve -orbital dambıl şeklindedir.

Elektronun negatif yükü olduğundan yörüngesi bir tür yük dağılımı olarak düşünülebilir. Bu dağılıma genellikle elektron bulutu adı verilir (Şekil 1.19).

Pirinç. 1.18. S- ve p-orbitallerinin şekli.

Pirinç. 1.19. Kesitteki elektron bulutu. Daire, çekirdeğin etrafındaki, içinde elektron bulma olasılığının %95 olduğu alanı temsil eder.

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 formdaki ifadeleri elde etmek mümkündür.

Hidrojen atomundaki bir dizi AO'yu sırayla 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 K 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 K 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 dV 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.

16828 0

Elementleri tanımlarken farklı yörüngelere sahip gruplara ayrıldıkları için bu kavramın özünü kısaca hatırlayalım.

Bohr'un atom modeline göre elektronlar çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde (kabuklarda) dönerler. Her kabuğun kesin olarak tanımlanmış bir enerji seviyesi vardır ve belirli bir kuantum sayısıyla karakterize edilir. Doğada yalnızca belirli elektron enerjileri mümkündür, yani ayrık (kuantize edilmiş) yörünge enerjileri (“izin verilir”). Bohr'un teorisi, kabukların artan enerji seviyesine uygun olarak Latin alfabesine göre K, L, M, N ve daha fazlasını elektron kabuklarını atar, baş kuantum sayısı n 1, 2, 3, 4 vb.'ye eşittir. Daha sonra, elektron kabuklarının alt kabuklara bölündüğü ve her birinin belirli bir kuantum enerji seviyesi ile karakterize edildiği ortaya çıktı. yörünge kuantum sayısı l.

Buna göre belirsizlik ilkesi Heisenberg'e göre herhangi bir zamanda bir elektronun yerini kesin olarak belirlemek imkansızdır. Ancak bunun gerçekleşme olasılığını belirtebilirsiniz. Uzayda elektron bulma olasılığının en yüksek olduğu bölgeye yörünge denir. Elektronlar s- (keskin), p- (ana), d- (yayılan) ve f- (temel) yörüngeler adı verilen farklı türde 4 yörüngeyi işgal edebilir. Daha önce bu harfler hidrojenin spektral çizgilerini gösteriyordu, ancak şu anda yalnızca sembol olarak kullanılıyorlar, kod çözülmeden.

Orbitaller üç boyutlu yüzeyler olarak temsil edilebilir. Tipik olarak uzayın bu yüzeylerle sınırlanan bölgeleri, içlerinde bir elektronun tespit edilme olasılığı %95 olacak şekilde seçilir. Yörüngelerin şematik bir temsili Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.

Pirinç. 1.

S-orbital küresel bir şekle sahiptir, p-orbital bir dambıl şeklindedir, d-opbital iki düğümlü karşılıklı dik düzlemde kesişen iki dambıl şeklindedir, s-alt kabuğu bir s-orbitalinden oluşur, p-alt kabuğunda 3 p-orbital, d-alt kabuğunda ise 5 d-orbital bulunur.

Eğer herhangi bir manyetik alan uygulanmazsa, bir alt kabuğun tüm yörüngeleri aynı enerjiye sahip olacaktır; bu durumda onlara dejenere denir. Ancak harici bir manyetik alanda alt kabuklar bölünür (Zeeman etkisi). Bu etki s yörüngesi dışındaki tüm yörüngeler için mümkündür. Karakteristiktir manyetik kuantum sayısı t. Zeeman etkisi, modern atomik absorpsiyon spektrofotometrelerinde (AASP), hassasiyetlerini arttırmak ve element analizlerinde tespit sınırını azaltmak için kullanılır.

Biyoloji ve tıp için, aynı simetriye sahip, yani aynı l ve m sayılarına sahip, ancak temel kuantum sayısının farklı bir değerine sahip olan yörüngelerin (örneğin, 1s, 2s, 3s, 4s yörüngeleri) olması önemlidir. göreceli büyüklükleri bakımından farklılık gösterir. Elektron yörüngelerinin iç alanının hacmi, n değeri büyük olan atomlar için daha büyüktür. Yörünge hacmindeki bir artışa gevşemesi eşlik eder. Kompleks oluşumu sırasında atomun boyutu, koordinasyon bileşiklerinin yapısını belirlediği için önemli bir rol oynar. Masada Şekil 1, elektron sayısı ile temel kuantum sayısı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.

Tablo 1. Kuantum sayısı n'nin farklı değerlerindeki elektron sayısı

Her atomun elektronlarının özelliklerini karakterize eden adı geçen üç kuantum sayısına ek olarak bir tane daha var - spin kuantum sayısı S , yalnızca elektronları değil aynı zamanda atom çekirdeklerini de karakterize eder.

Tıbbi biyoinorganikler. G.K. Baraşkov

M Kuantum sayıları.

Dalga fonksiyonu, Schrödinger dalga denklemi kullanılarak tek elektron yaklaşımı (Hartree-Fock yöntemi) çerçevesinde, atom çekirdeğinin atom çekirdeğinin diğer tüm elektronlarıyla oluşturduğu kendi kendine tutarlı bir alanda bulunan bir elektronun dalga fonksiyonu olarak hesaplanır. atom.

E. Schrödinger, bir atomdaki elektronu, yoğunluğu atomun karşılık gelen noktasındaki dalga fonksiyonunun değerinin karesiyle orantılı olan negatif yüklü bir bulut olarak değerlendirdi. Bu haliyle teorik kimyada elektron bulutu kavramı da kabul edildi.

Ancak fizikçilerin çoğu E. Schrödinger'in inançlarını paylaşmıyordu; elektronun "negatif yüklü bir bulut" olarak varlığına dair hiçbir kanıt yoktu. Max Born, dalga fonksiyonunun karesinin olasılıksal yorumunu doğruladı. 1950 yılında E. Schrödinger, “Temel Parçacık Nedir?” 1954 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülen M. Born'un "Kuantum mekaniği alanındaki temel araştırmalar için, özellikle dalga fonksiyonunun istatistiksel yorumu için" ifadesiyle argümanlarına katılmak zorundayım.

Kuantum sayıları ve yörünge isimlendirmesi

Farklı konumlardaki atomik yörüngeler için radyal olasılık yoğunluk dağılımı N Ve ben.

• Ana kuantum sayısı N birden başlayarak herhangi bir pozitif tam sayı değeri alabilir ( N= 1,2,3, … ∞) ve belirli bir yörüngedeki (enerji seviyesi) elektronun toplam enerjisini belirler:

Enerji N= ∞, belirli bir enerji seviyesi için tek elektron iyonizasyon enerjisine karşılık gelir.

• Yörünge kuantum sayısı (aynı zamanda azimut veya tamamlayıcı kuantum sayısı olarak da adlandırılır) elektronun açısal momentumunu belirler ve 0'dan 0'a kadar tam sayı değerleri alabilir. N - 1 (ben = 0,1, …, N-1). Açısal momentum ilişki tarafından verilir

Atomik yörüngeler genellikle yörünge numaralarının harfleriyle adlandırılır:

Atomik yörüngelerin harf tanımları, atom spektrumundaki spektral çizgilerin tanımından gelir: S (keskin) - atom spektrumunda keskin bir seri, P (müdür)- Ev, D (yaygın) - yaygın, F (esas) - esas.

• Manyetik kuantum sayısı m l yörüngesel açısal momentumun manyetik alanın yönüne projeksiyonunu belirler ve - aralığında tamsayı değerleri alabilir - benönce ben 0 dahil ( m l = -ben … 0 … ben):

Literatürde, yörüngeler kuantum sayılarının bir kombinasyonu ile gösterilir; temel kuantum sayısı bir sayıyla, yörünge kuantum sayısı karşılık gelen harfle (aşağıdaki tabloya bakınız) ve manyetik kuantum sayısı projeksiyonunu gösteren bir alt simge ifadesi ile gösterilir. Kartezyen eksenleri x, y, z üzerindeki yörünge, Örneğin 2p x, 3d xy, 4f z(x²-y²). Dış elektron kabuğunun yörüngeleri için, yani değerlik elektronlarının tanımlanması durumunda, yörünge gösterimindeki ana kuantum sayısı genellikle atlanır.

Geometrik gösterim

Bir atomik yörüngenin geometrik temsili, eşit yoğunlukta (eşitlik yüzeyi) olasılık veya yüke sahip bir yüzey tarafından sınırlanan uzayın bir bölgesidir. Sınır yüzeyindeki olasılık yoğunluğu, çözülen soruna göre seçilir, ancak genellikle sınırlı bir alanda bir elektron bulma olasılığı 0,9-0,99 değerleri aralığında yer alacak şekilde seçilir.

Elektron enerjisi Coulomb etkileşimi ve dolayısıyla çekirdeğe olan uzaklık tarafından belirlendiğinden, baş kuantum sayısı N yörüngenin boyutunu belirler.

Yörüngenin şekli ve simetrisi, yörünge kuantum sayılarıyla belirlenir. ben Ve M: S-orbitaller küresel olarak simetriktir, P, D Ve F-yörüngeler, dalga fonksiyonunun açısal kısımları - açısal fonksiyonlar tarafından belirlenen daha karmaşık bir şekle sahiptir. Açısal fonksiyonlar Y lm (φ, θ) - kuantum sayılarına bağlı olarak kare açısal momentum operatörünün L² özfonksiyonları ben Ve M(bkz. Küresel fonksiyonlar), karmaşıktır ve bir atomun merkezi alanında bir elektron bulma olasılığının açısal bağımlılığını küresel koordinatlarda (φ, θ) tanımlar. Bu fonksiyonların doğrusal kombinasyonu, yörüngelerin Kartezyen koordinat eksenlerine göre konumunu belirler.

Y lm doğrusal kombinasyonları için aşağıdaki gösterimler kabul edilir:

Yörünge kuantum numarası değeri	0	1	1	1	2	2	2	2	2
Manyetik kuantum sayısı değeri	0	0			0
Doğrusal kombinasyon
Tanım

Geometrik gösterimde bazen dikkate alınan ek bir faktör, dalga fonksiyonunun (faz) işaretidir. Bu faktör, yörünge kuantum sayısına sahip yörüngeler için önemlidir. ben sıfırdan farklı, yani küresel simetriye sahip değil: düğüm düzleminin karşıt taraflarında yatan "yapraklarının" dalga fonksiyonunun işareti zıttır. Dalga fonksiyonunun işareti, moleküler yörünge yöntemi MO LCAO'da (atom yörüngelerinin doğrusal bir kombinasyonu olarak moleküler yörüngeler) dikkate alınır. Bugün bilim, yörüngeleri temsil eden geometrik şekilleri (elektronun zamana karşı koordinatlarına bağlı olarak) tanımlayan matematiksel denklemleri biliyor. Bunlar, parçacıkların mevcut tüm serbestlik dereceleri üzerindeki dönüşünü yansıtan harmonik salınım denklemleridir - yörünge dönüşü, dönüş,... Yörüngelerin melezleşmesi, salınımların girişimi olarak temsil edilir.

Orbitallerin elektronlarla doldurulması ve bir atomun elektronik konfigürasyonu

Her yörünge, spin kuantum sayısının değeri farklı olan ikiden fazla elektron içeremez S(geri). Bu yasak Pauli ilkesine göre belirlenir. Aynı seviyedeki yörüngeleri elektronlarla doldurma sırası (baş kuantum numarası aynı değere sahip yörüngeler) N), elektronların bir alt seviye içindeki yörüngeleri (baş kuantum numarasıyla aynı değerlere sahip yörüngeler) doldurma sırası olan Klechkovsky kuralı ile belirlenir. N ve yörünge kuantum sayısı ben) Hund Kuralı ile belirlenir.

Temel ve yörünge kuantum sayıları dikkate alınarak, bir atomdaki elektronların atomun çeşitli elektron kabukları üzerindeki dağılımının kısa bir kaydı N Ve ben isminde