Atomiorbitaalit
Atomiorbitaali on yhden elektronin kvanttitilan avaruudellinen osa, joka kertoo aaltofunktion amplitudista ja todennäköisyystiheydestä. Orbitaali ei ole elektronin rata. s-, p-, d- ja f-orbitaalit syntyvät kvanttiluvuista ja määräävät suuren osan atomien kemiallisesta käyttäytymisestä.
Aaltofunktio
Schrödingerin yhtälön ratkaisu ψ sisältää tilan amplitudin. Mitattava todennäköisyystiheys on |ψ|². Merkin tai vaiheen vaihtuminen on silti tärkeää, koska se vaikuttaa interferenssiin ja sidoksissa orbitalien yhdistymiseen.
Kvanttiluvut
Pääkvanttiluku n liittyy kokoon ja energiaan, l alakuoreen, m_l kulmaliikemäärän projektioon ja m_s spinprojektion kahteen arvoon. s vastaa l=0, p=1, d=2 ja f=3.
Solmut
Hydrogenisessa orbitalissa kulmasolmuja on l ja radiaalisia solmuja n−l−1. Solmu on alue, jossa aaltofunktion amplitudi on nolla. Solmurakenne vaikuttaa orbitalin tunkeutumiseen ja energiaan monielektronisessa atomissa.
s ja p
s-orbitaali on pallosymmetrinen ja voi tunkeutua lähelle ydintä. p-orbitaaleissa on kulmasolmu ja kaksi vastakkaisvaiheista lohkoa. Kemialliset p_x, p_y ja p_z -kuvat ovat käteviä reaaliyhdistelmiä kvanttitiloista.
d ja f
d- ja f-orbitaaleilla on useampia kulmasolmuja ja monimutkaisempi avaruusrakenne. Ne ovat keskeisiä siirtymämetallien, koordinaatiokemian, magnetismin ja lantanoidien kemiassa.
Orbitaali ja elektroni
Sama avaruudellinen orbitaali voi sisältää korkeintaan kaksi elektronia vastakkaisin spinprojektion. Tämä seuraa Paulin kieltosäännöstä, ei klassisesta elektronien “tilanpuutteesta”.
Kemiallinen merkitys
Sidokset syntyvät orbitalien yhdistymisestä ja elektronitiheyden uudelleenjakautumisesta. Orbitaalien energia, symmetria ja suuntautuminen auttavat ymmärtämään geometrian, reaktiivisuuden ja spektroskopian.
Orbitaalien energia
Vetyatomissa saman n:n tilat ovat yksinkertaisessa mallissa degeneroituneita. Monielektronisissa atomeissa elektronien keskinäinen vuorovaikutus rikkoo tämän, ja l vaikuttaa energiaan. Siksi 3s, 3p ja 3d eivät yleisesti ole samalla energialla.
Hybridisaatio mallina
Kemian sp-, sp²- ja sp³-hybridiorbitaalit ovat käteviä lineaarikombinaatioita, joilla lokalisoituja sidoksia ja geometriaa voidaan kuvata. Ne eivät tarkoita, että eristetystä atomista mitattaisiin valmiit “hybridilokerot” ennen sidoksen muodostumista.
Vaihe on tärkeä
Orbitaalin positiivinen ja negatiivinen vaihe eivät ole sähkövarauksia. Ne kertovat aaltofunktion merkistä. Kun orbitalit yhdistyvät, samanvaiheiset alueet voivat vahvistua ja vastakkaisvaiheiset kumoutua, mikä erottaa sitovat ja vastasitovat yhdistelmät.
Harjoitus
Montako avaruudellista orbitaalia p-alakuoressa on ja montako elektronia niihin enintään mahtuu?
Ratkaisu
Kolme orbitaalia ja yhteensä kuusi elektronia.