Aatomorbitaalid
Aatomorbitaal on elektroni kvantolek aatomis, mitte väike klassikaline tiirlemisrada. Lainefunktsioon ψ kirjeldab olekut ja |ψ|² seostub tõenäosustihedusega. s-, p-, d- ja f-orbitaalide kujud aitavad mõista elektrontiheduse ruumilist jaotust, sõlmi, penetratsiooni ning seda, miks eri orbitaalid osalevad keemilistes sidemetes erinevalt.
Visuaalne mudel
Interaktiivne mudel
Lainefunktsioonist tõenäosuseni
ψ võib olla positiivne, negatiivne või null, kuid selle märk väljendab faasi, mitte elektrilaengut. Tõenäosustihedus on seotud suurusega |ψ|² ja on mittenegatiivne. p- või d-orbitaali eri värvi sagarad tähistavad tavaliselt vastandfaasi. See faas muutub keemiliselt tähtsaks siis, kui aatomorbitaalid kattuvad ja moodustavad siduvaid või antibonding ehk lõdvendavaid molekulaarorbitaale.
Kihid, alamkihid ja mahutavus
Peakvantarv n määrab kihi ning ℓ alamkihi tüübi: s korral ℓ=0, p korral 1, d korral 2 ja f korral 3. Iga ℓ väärtuse jaoks on 2ℓ+1 orbitaali ning igasse orbitaali mahub kaks vastandliku spinniga elektroni. Seega sisaldab p-alamkiht kolme orbitaali ja kuni kuut elektroni, d-alamkiht viit orbitaali ja kuni kümmet elektroni.
Sõlmed, penetratsioon ja energia
Sõlmed tulenevad lainefunktsiooni kujust: sõlmede koguarv on n−1, nurksõlmi on ℓ ja radiaalsõlmi n−ℓ−1. Vesinikus sõltub energia ainult n-ist, kuid mitmeelektronilistes aatomites lõhuvad elektronide vastastikune tõuge ja erinev penetratsioon selle degeneratsiooni. 2s-elektronil on suurem tõenäosus jõuda tuumale lähedale kui 2p-elektronil, mistõttu 2s on tavaliselt tugevamalt stabiliseeritud.
Mida orbitaalijoonis tegelikult näitab
Joonistatud pind ei ole elektroni piirav sein. See valitakse tavaliselt nii, et pind ümbritseks näiteks umbes 90% kogu tõenäosusest. |ψ|² ja radiaalne tõenäosusjaotus ei ole sama suurus, sest radiaalne jaotus sisaldab ruumala tegurit 4πr². Vesiniku 1s olekus on elektrontihedus suurim tuuma juures, kuid radiaalne tõenäosus maksimumis Bohri raadiuse lähedal.
Miks orbitaalid on keemias kasulikud
Orbitaalide suund ja faas aitavad seletada sidemete suunalisust, kattumist, molekulaargeomeetriat ja spektrite valikureegleid. Orbitaal ei ole elektroni trajektoori foto, vaid teoreetiline olek, mis annab katseliselt kontrollitavaid ennustusi ionisatsioonienergiate, spektrijoonte ja elektrontiheduse kohta. pₓ, pᵧ ja p_z jooniste telgi võib pöörata ilma isoleeritud aatomi füüsikat muutmata.
Harjutused
3p sõlmed
Mitu nurk- ja radiaalsõlme on 3p orbitaalil?
Lahendus: p korral ℓ=1, seega on 1 nurksõlm. Radiaalsõlmi on 3−1−1=1.
d-alamkihi mahutavus
Mitu orbitaali ja elektroni mahub d-alamkihti?
Lahendus: ℓ=2 annab 2ℓ+1=5 orbitaali. Kahe elektroniga orbitaali kohta on maksimaalne mahutavus 10 elektroni.
Sagarate faas
Kas p-orbitaali + ja − sagarad tähistavad positiivset ja negatiivset laengut?
Lahendus: Ei. Need näitavad lainefunktsiooni vastandfaasi; tõenäosustihedus |ψ|² ise ei ole negatiivne.