في الكيمياء والفيزياء ، المدارات الذرية هي وظيفة تسمى الدالة الموجية التي تصف الخصائص المميزة لما لا يزيد عن إلكترونين بالقرب من النواة الذرية أو نظام النوى ، كما في الجزيء. غالبًا ما يتم تصوير المدار على أنه منطقة ثلاثية الأبعاد توجد فيها فرصة 95 بالمائة للعثور على إلكترون.
المدارات والمدارات
عندما يتحرك كوكب حول الشمس ، فإنه يتتبع مسارًا يسمى مدارًا. وبالمثل ، يمكن تمثيل الذرة كإلكترونات تدور في مدارات حول النواة. في الواقع ، الأشياء مختلفة ، والإلكترونات موجودة في مناطق من الفضاء تُعرف بالمدارات الذرية. الكيمياء تكتفي بنموذج مبسط للذرة لحساب معادلة شرودنجر الموجية ، وبالتالي تحديد الحالات المحتملة للإلكترون.
تبدو المدارات والمدارات متشابهة ، لكن لها معاني مختلفة تمامًا. من المهم للغاية فهم الفرق بينهما
من المستحيل عرض المدارات
لرسم مسار شيء ما ، تحتاج إلى معرفة مكان الكائن بالضبطموجود ، ويكون قادرًا على تحديد مكانه في لحظة. هذا مستحيل للإلكترون.
وفقًا لمبدأ عدم اليقين في Heisenberg ، من المستحيل معرفة مكان وجود الجسيم بالضبط في الوقت الحالي وأين سيكون لاحقًا. (في الواقع ، يقول المبدأ أنه من المستحيل تحديد الزخم والزخم في وقت واحد وبدقة مطلقة).
لذلك ، من المستحيل بناء مدار للإلكترون حول النواة. هل هذه مشكلة كبيرة؟ لا. إذا كان هناك شيء غير ممكن ، فيجب قبوله وإيجاد طرق للتغلب عليه.
إلكترون الهيدروجين - 1s-المداري
لنفترض أن هناك ذرة هيدروجين واحدة وفي نقطة زمنية معينة يكون موضع إلكترون واحد مطبوعًا بيانياً. بعد ذلك بوقت قصير ، يتكرر الإجراء ويجد المراقب أن الجسيم في وضع جديد. كيف انتقلت من المركز الأول إلى الثاني غير معروف
إذا واصلت على هذا النحو ، فسوف تقوم بشكل تدريجي بتشكيل نوع من الخرائط ثلاثية الأبعاد لمكان وجود الجسيم.
في حالة ذرة الهيدروجين ، يمكن أن يكون الإلكترون في أي مكان داخل الفضاء الكروي المحيط بالنواة. يوضح الرسم البياني مقطعًا عرضيًا لهذه المساحة الكروية.
95٪ من الوقت (أو أي نسبة مئوية أخرى ، نظرًا لأن حجم الكون فقط هو الذي يمكن أن يوفر يقينًا بنسبة مائة بالمائة) سيكون الإلكترون داخل منطقة محددة بسهولة من الفضاء ، قريبة بدرجة كافية من النواة. تسمى هذه المنطقة المدارية. المدارات الذريةمناطق الفضاء حيث يوجد الإلكترون.
ماذا يفعل هناك؟ نحن لا نعرف ، لا نستطيع أن نعرف ، وبالتالي نحن ببساطة نتجاهل هذه المشكلة! يمكننا فقط أن نقول أنه إذا كان الإلكترون في مدار معين ، فسيكون لديه طاقة معينة.
كل مدار له اسم
المساحة التي يشغلها إلكترون الهيدروجين تسمى 1s-orbital. الوحدة هنا تعني أن الجسيم عند مستوى الطاقة الأقرب للنواة. يخبرنا S عن شكل المدار. المدارات- S متناظرة كرويًا حول النواة - على الأقل مثل كرة مجوفة من مادة كثيفة إلى حد ما مع نواة في مركزها.
2s
المدار التالي هو 2 ثانية. إنه مشابه لـ 1s ، باستثناء أن موقع الإلكترون الأكثر احتمالا هو أبعد من 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 مكان معين).
تقضي الإلكترونات
2s (و 3 s ، 4s ، إلخ) بعض وقتها بالقرب من مركز الذرة أكثر مما قد يتوقعه المرء. نتيجة هذا انخفاض طفيف في طاقتهم في المدارات s. كلما اقتربت الإلكترونات من النواة ، انخفضت طاقتها.
3s- ، 4s-orbitals (وما إلى ذلك) تبتعد عن مركز الذرة.
ف المدارات
ليست كل الإلكترونات تعيش في مدارات s (في الواقع ، قلة قليلة منهم تعيش). على مستوى الطاقة الأول ، الموقع الوحيد المتاح لهم هو 1s ، في الثانية ، 2s و 2 p مضافة.
المدارات من هذا النوع تشبه إلى حد كبير بالونين متطابقين ، متصلين ببعضهما البعض في القلب. يُظهر الرسم التخطيطي مقطعًا عرضيًا لمنطقة الفضاء ثلاثية الأبعاد. مرة أخرى ، يُظهر المدار فقط المنطقة التي لديها فرصة 95 بالمائة لإيجاد إلكترون واحد.
إذا تخيلنا مستويًا أفقيًا يمر عبر النواة بحيث يكون جزء من المدار فوق المستوى والآخر أسفله ، فهناك احتمال صفري لإيجاد إلكترون على هذا المستوى. إذن ، كيف ينتقل الجسيم من جزء إلى آخر إذا لم يكن قادرًا على المرور عبر مستوى النواة؟ هذا بسبب طبيعتها الموجية.
على عكس s- ، فإن p-orbital اتجاهية معينة.
في أي مستوى للطاقة ، يمكن أن يكون لديك ثلاثة مدارات p مكافئة تمامًا تقع في زوايا قائمة مع بعضها البعض. يتم الإشارة إليها بشكل تعسفي بالرموز px، pyو pz. هذا مقبول للراحة - ما يعنيه اتجاهات X أو Y أو Z يتغير باستمرار ، حيث تتحرك الذرة بشكل عشوائي في الفضاء.
تسمى المدارات P عند مستوى الطاقة الثاني 2px، 2pyو 2pz. هناك مدارات مماثلة في المدارات اللاحقة - 3px، 3py، 3pz، 4px ، 4py ،4pzوهكذا
جميع المستويات ، باستثناء المستوى الأول ، لها مدارات p. في المستويات الأعلى ، تكون "البتلات" أكثر استطالة ، مع الموقع الأكثر ترجيحًا للإلكترون على مسافة أكبر من النواة.
d- و f- المدارات
بالإضافة إلى المدارات s و p ، هناك مجموعتان أخريان من المدارات المتاحة للإلكترونات عند مستويات طاقة أعلى. في الثالث ، قد يكون هناك خمسة مدارات d (بأشكال وأسماء معقدة) ، بالإضافة إلى 3s- و 3 p-orbitals (3px، 3py، 3pz ). هناك ما مجموعه 9 هنا.
في الرابع ، إلى جانب 4s و 4 p و 4 d ، تظهر 7 مدارات f إضافية - 16 في المجموع ، متوفرة أيضًا في جميع مستويات الطاقة الأعلى.
وضع الإلكترونات في المدارات
يمكن اعتبار الذرة منزلًا فاخرًا جدًا (مثل الهرم المقلوب) مع نواة تعيش في الطابق الأرضي وغرف مختلفة في الطوابق العليا تشغلها الإلكترونات:
- هناك غرفة واحدة فقط في الطابق الأول (1s) ؛
- في الغرفة الثانية يوجد بالفعل 4 (2s ، 2px، 2pyو 2pz) ؛
- في الطابق الثالث هناك 9 غرف (واحدة 3s ، 3 3p و 5 مدارات ثلاثية الأبعاد) وهكذا.
لكن الغرف ليست كبيرة جدا. يمكن لكل منهم حمل إلكترونين فقط.
طريقة مناسبة لإظهار المدارات الذرية التي توجد فيها هذه الجسيمات هي رسم "الخلايا الكمومية".
الخلايا الكمية
نووييمكن تمثيل المدارات كمربعات مع عرض الإلكترونات فيها على شكل أسهم. في كثير من الأحيان ، يتم استخدام الأسهم لأعلى ولأسفل لإظهار أن هذه الجسيمات مختلفة.
الحاجة إلى إلكترونات مختلفة في الذرة هي نتيجة نظرية الكم. إذا كانا في مدارات مختلفة ، فلا بأس بذلك ، ولكن إذا كانا في نفس المدار ، فلا بد أن يكون هناك بعض الاختلاف الدقيق بينهما. تمنح نظرية الكم الجسيمات بخاصية تسمى "الدوران" ، وهو ما يشير إليه اتجاه الأسهم.
المدار
1s مع إلكترونين يظهر كمربع به سهمان يشيران لأعلى ولأسفل ، ولكن يمكن أيضًا كتابته بشكل أسرع مثل 1s2. تقرأ "one s two" ، وليس "one s squared". لا ينبغي الخلط بين الأرقام في هذه الرموز. الأول هو مستوى الطاقة ، والثاني هو عدد الجسيمات لكل مدار.
تهجين
في الكيمياء ، التهجين هو مفهوم خلط المدارات الذرية في مدارات هجينة جديدة قادرة على إقران الإلكترونات لتكوين روابط كيميائية. يشرح التهجين Sp الروابط الكيميائية للمركبات مثل الألكينات. في هذا النموذج ، تختلط المدارات الذرية الكربونية 2s و 2 p لتشكيل مدارين sp. يتكون الأسيتيلين C2H2من تشابك sp-sp من ذرتين من الكربون مع تكوين رابطة σ وروابط π إضافية.
المدارات الذرية للكربون في الهيدروكربونات المشبعة لهاهجين متطابق sp3- مداري على شكل دمبل ، جزء منها أكبر بكثير من الآخر.
Sp2- التهجين مشابه للتهجين السابق ويتكون عن طريق خلط واحد s واثنين من المدارات p. على سبيل المثال ، في جزيء الإيثيلين ، يتم تكوين ثلاثة sp2- ومدار واحد p.
المدارات الذرية: مبدأ الملء
تخيل التحولات من ذرة إلى أخرى في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية ، يمكن للمرء أن ينشئ الهيكل الإلكتروني للذرة التالية عن طريق وضع جسيم إضافي في المدار التالي المتاح.
الإلكترونات ، قبل ملء مستويات الطاقة الأعلى ، تحتل المستويات السفلية القريبة من النواة. عندما يكون هناك خيار ، يملأون المدارات بشكل فردي.
يُعرف أمر الملء هذا بقاعدة Hund. إنه ينطبق فقط عندما يكون للمدارات الذرية طاقات متساوية ، ويساعد أيضًا على تقليل التنافر بين الإلكترونات ، مما يجعل الذرة أكثر استقرارًا.
لاحظ أن المدار s لديه دائمًا طاقة أقل قليلاً من المدار p عند نفس مستوى الطاقة ، لذلك تمتلئ الأولى دائمًا قبل الأخير.
الغريب حقًا هو موقع المدارات ثلاثية الأبعاد. إنها في مستوى أعلى من 4s ، وبالتالي تمتلئ مدارات 4s أولاً ، متبوعة بجميع المدارات ثلاثية الأبعاد و 4 p.
يحدث نفس الارتباك عند المستويات الأعلى مع المزيد من النسج بينهما. لذلك ، على سبيل المثال ، لا يتم ملء المدارات الذرية 4f حتى جميع الأماكن في6 s.
معرفة ترتيب التعبئة أمر أساسي لفهم كيفية وصف الهياكل الإلكترونية.
