Ατομικά τροχιακά
Ένα ατομικό τροχιακό είναι κβαντική κατάσταση, όχι κλασική τροχιά ηλεκτρονίου. Η κυματοσυνάρτηση ψ περιγράφει την κατάσταση και το |ψ|² συνδέεται με την πυκνότητα πιθανότητας. Τα σχήματα s, p, d και f βοηθούν να κατανοήσουμε πού συγκεντρώνεται η ηλεκτρονιακή πυκνότητα, πώς εμφανίζονται οι κόμβοι και γιατί διαφορετικά τροχιακά συμμετέχουν διαφορετικά στους χημικούς δεσμούς.
Οπτικό μοντέλο
Διαδραστικό μοντέλο
Από την κυματοσυνάρτηση στην πιθανότητα
Η ψ μπορεί να έχει θετικό ή αρνητικό πρόσημο, αλλά αυτό το πρόσημο είναι φάση και όχι ηλεκτρικό φορτίο. Η μετρήσιμη πυκνότητα πιθανότητας είναι ανάλογη με |ψ|² και είναι πάντοτε μη αρνητική. Οι δύο χρωματισμοί στους λοβούς ενός p τροχιακού συνήθως δείχνουν αντίθετη φάση, κάτι κρίσιμο όταν δύο τροχιακά αλληλεπικαλύπτονται για να σχηματίσουν δεσμικά ή αντιδεσμικά μοριακά τροχιακά.
Κελύφη, υποστιβάδες και χωρητικότητα
Ο κύριος κβαντικός αριθμός n ορίζει το κέλυφος και ο ℓ το είδος της υποστιβάδας: s για ℓ=0, p για ℓ=1, d για ℓ=2 και f για ℓ=3. Για δεδομένο ℓ υπάρχουν 2ℓ+1 τροχιακά, καθένα με έως δύο ηλεκτρόνια αντίθετου spin. Έτσι μια p υποστιβάδα έχει τρία τροχιακά και χωρητικότητα έξι ηλεκτρονίων, ενώ μια d έχει πέντε και χωρητικότητα δέκα.
Κόμβοι, διείσδυση και ενέργεια
Οι κόμβοι προκύπτουν από τη μαθηματική μορφή της κυματοσυνάρτησης: οι συνολικοί κόμβοι είναι n−1, οι γωνιακοί ℓ και οι ακτινικοί n−ℓ−1. Σε άτομα με πολλά ηλεκτρόνια, η άπωση μεταξύ ηλεκτρονίων και η διαφορετική διείσδυση προς τον πυρήνα αίρουν τον απλό εκφυλισμό του υδρογόνου. Ένα 2s ηλεκτρόνιο διεισδύει περισσότερο στην εσωτερική περιοχή από ένα 2p και συνήθως σταθεροποιείται περισσότερο.
Τι πραγματικά δείχνει ένα διάγραμμα τροχιακού
Η επιφάνεια που σχεδιάζεται δεν είναι τοίχωμα. Επιλέγεται ώστε να περικλείει ένα βολικό ποσοστό, για παράδειγμα περίπου 90%, της πιθανότητας. Η πυκνότητα |ψ|² κοντά στον πυρήνα και η ακτινική πιθανότητα δεν είναι το ίδιο γράφημα, επειδή η δεύτερη περιλαμβάνει και τον παράγοντα όγκου 4πr². Για το 1s του υδρογόνου η πυκνότητα είναι μέγιστη στον πυρήνα, ενώ η ακτινική πιθανότητα κορυφώνεται στην ακτίνα Bohr.
Γιατί τα τροχιακά είναι χημικά χρήσιμα
Η κατεύθυνση και η φάση των τροχιακών εξηγούν την κατευθυντικότητα των δεσμών, την επικάλυψη, μέρος της μοριακής γεωμετρίας και πολλές φασματοσκοπικές τάσεις. Τα τροχιακά δεν είναι άμεσα «φωτογραφίες», αλλά θεωρητικές καταστάσεις που δίνουν ελέγξιμες προβλέψεις για ενέργειες ιονισμού, φάσματα και κατανομές ηλεκτρονικής πυκνότητας. Η επιλογή αξόνων μπορεί να περιστρέψει ένα σχέδιο pₓ, pᵧ, p_z χωρίς να αλλάζει τη φυσική ενός απομονωμένου ατόμου.
Ασκήσεις
Κόμβοι 3p
Για τροχιακό 3p, πόσοι είναι οι γωνιακοί και οι ακτινικοί κόμβοι;
Λύση: Για p ισχύει ℓ=1. Άρα υπάρχει 1 γωνιακός κόμβος και 3−1−1=1 ακτινικός κόμβος.
Χωρητικότητα d
Πόσα τροχιακά και πόσα ηλεκτρόνια χωρά μια d υποστιβάδα;
Λύση: Για ℓ=2, 2ℓ+1=5 τροχιακά. Με δύο ηλεκτρόνια ανά τροχιακό, η μέγιστη χωρητικότητα είναι 10 ηλεκτρόνια.
Φάση λοβών
Τα σύμβολα + και − στους λοβούς ενός p τροχιακού είναι θετικό και αρνητικό φορτίο;
Λύση: Όχι. Δείχνουν αντίθετη φάση της ψ. Η πυκνότητα πιθανότητας |ψ|² δεν έχει αρνητικές τιμές.