Атомни орбитали: дефиниция, видове и значение в квантовата механика

Атомни орбитали — дефиниция, видове и ключово значение в квантовата механика. Лесно обяснение на електронните конфигурации и влиянието им върху химичните свойства.

Атомните орбитали са местата около ядрото на атома, където електроните най-вероятно ще се намират във всеки един момент. Това е математическа функция, която описва вълнообразното поведение на един електрон или на двойка електрони в атома.

Думата "орбитален" се използва, защото се смята, че електроните се държат подобно на слънчевата система, където ядрото е като слънцето, а електроните обикалят като планетите.

Броят на атомните орбитали в даден елемент се определя от периода, в който се намира елементът. Електроните се движат между орбиталите в зависимост от това колко бързо се движат и колко други електрони има.

В атомната теория и квантовата механика атомната орбитала е квантово число. Всяка такава орбитала може да бъде заета от един или два електрона. Начинът, по който са разположени орбиталите, е свързан с електронните конфигурации на атомите. Те са изведени от описанията, предоставени от ранните спектроскописти на някои спектрални линии на алкалните метали, като остри, главни, дифузни и фундаментални.

Какво точно представлява орбиталата

За да сме прецизни: орбиталата не е траектория или физическо "място" като орбита в класическия смисъл, а вълнова функция ψ(r,θ,φ) — математическа функция, решение на уравнението на Шрьодингер (за водородоподобни атоми). Вероятността да намерим електрона в малък обем около точка r е пропорционална на плътността |ψ|^2. Орбиталите се описват чрез набор от квантови числа, които определят енергията, формата и ориентацията им.

Квантови числа

• Главно квантово число n — определя енергийното ниво и относителния размер на орбитала (n = 1, 2, 3 ...).
• Главно орбитално квантово число l — свързано с формата на орбитала (l = 0, 1, ..., n−1). За l се използват буквите: 0 → s, 1 → p, 2 → d, 3 → f.
• Магнитно квантово число m (или m_l) — ориентацията на орбитала в пространството (m = −l ... +l), което дава 2l+1 възможни направления.
• Спиново квантово число m_s — описва спина на електрона (m_s = +1/2 или −1/2). Поради това една орбитала може да съдържа максимум два електрона със срещуположни спинове (принцип на Паули).

Видове орбитали и форми

Най-често обсъжданите видове са:

• s-орбитали (l=0) — сферично симетрични около ядрото.
• p-орбитали (l=1) — имат форма на „гантела“ (dumbbell) с три ориентации (m = −1, 0, +1).
• d-орбитали (l=2) — по-сложни четирилистни или дискобразни форми (пет ориентации).
• f-орбитали (l=3) — още по-сложни форми, важни за редките земни елементи и актините.

Енергия и подредба на орбиталите

При водородоподобните атоми енергията зависи само от n. В многоелектронните атоми взаимодействията между електроните променят енергийната подредба — тогава енергията зависи както от n, така и от l (shielding и penetration ефекти). Практическата подредба при запълване на орбиталите следва правилата на Aufbau, принципа на Паули и правилото на Хунд (попълване с паралелни спинове преди двойно заемане).

Преходи и спектроскопия

Преместването на електрон между орбитали е свързано с поглъщане или емисия на фотон с енергия точно равна на разликата между енергийните нива. Историчните названия на спектралните серии — остри, главни, дифузни и фундаментални — стоят в основата на обозначенията s, p, d, f.

От атомни орбитали към химични връзки

Атомните орбитали служат като основа за образуване на молекулни орбитали при свързване на атоми. Комбинацията и хибридизацията (например sp, sp2, sp3) определят геометрията и свойствата на молекулите. Познаването на формата и енергията на орбиталите е ключово за разбиране на реакционната способност, магнитните свойства и спектралните характеристики на веществата.

Къде се използва това знание

• Квантово-химични изчисления и моделиране на молекули;
• Интерпретация на спектри и определяне на енергийни нива;
• Разработка на материали и разбиране на проводимост, магнитизъм и каталитични свойства;
• Образование и фундаментална изследователска физика и химия.

Бележка за неточности в популярни описания: В популярните представи орбиталите често се описват по аналогия със слънчевата система, но това е само моделна интуиция. В квантовата механика електронът няма добре дефинирана траектория — разполагането му се дава само вероятностно чрез |ψ|^2. Също така орбитала не е самостоятелно „квантово число“ — тя се описва от набор от квантови числа (n, l, m, m_s).

Въпроси и отговори

В: Какво представляват атомните орбитали?

В: Каква е математическата функция, която описва поведението на електроните в един атом?

В: Защо се използва думата "орбитален"?

В: Как се определя броят на атомните орбитали в даден елемент?

В: Защо електроните се движат между орбитали?

В: Какво представлява атомната орбитала в атомната теория и квантовата механика?

В: Колко електрона може да заема всяка атомна орбитала?

Търсене по буква