ออร์บิทัลอะตอม

ออร์บิทัลไม่ใช่วงโคจรแบบดาวเคราะห์ของอิเล็กตรอน ในกลศาสตร์ควอนตัม ออร์บิทัลเป็นสถานะที่อธิบายด้วยฟังก์ชันคลื่น และ |ψ|² ให้ความหนาแน่นความน่าจะเป็นของการพบอิเล็กตรอนในอวกาศ

ออร์บิทัลไม่ใช่วงโคจร

แบบจำลองบอร์มีประโยชน์กับสเปกตรัมของระบบคล้ายไฮโดรเจนบางกรณี แต่อิเล็กตรอนในอะตอมหลายอิเล็กตรอนไม่ได้วิ่งบนวงกลมคงที่ ภาพขอบเขตของออร์บิทัลมักเลือกผิวที่ครอบความน่าจะเป็นบางส่วน ไม่ได้หมายความว่าด้านนอกผิวนั้นความน่าจะเป็นเป็นศูนย์ทันที

เลขควอนตัมสี่ตัว

n = 1,2,3,… เกี่ยวกับระดับพลังงานและขนาดโดยรวม l = 0…n−1 กำหนดชนิดออร์บิทัลย่อย s,p,d,f ซึ่งตรงกับ l = 0,1,2,3 ค่า mₗ ตั้งแต่ −l ถึง +l กำหนดจำนวนออร์บิทัลในซับเชลล์ และ mₛ = ±1/2 อธิบายสปิน

จำนวนออร์บิทัลและความจุ

s, p, d และ f มีออร์บิทัล 1, 3, 5 และ 7 ตามลำดับ จึงบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2, 6, 10 และ 14 แต่ละออร์บิทัลบรรจุได้มากสุดสองอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามตามหลักห้ามของเพาลี

โหนด

บริเวณที่ ψ = 0 มีความหนาแน่นความน่าจะเป็นเป็นศูนย์ สำหรับออร์บิทัลแบบไฮโดรเจน จำนวนโหนดรวมคือ n−1, โหนดเชิงมุมคือ l และโหนดแนวรัศมีคือ n−l−1 ระนาบโหนดของ p และรูปแบบซับซ้อนใน d จึงมีความหมายทางฟิสิกส์จริง

อะตอมหลายอิเล็กตรอน

ในไฮโดรเจน ออร์บิทัลที่มี n เดียวกันมีพลังงานเท่ากัน แต่ในอะตอมหลายอิเล็กตรอน การกำบังและการแทรกซึมทำให้ 2s กับ 2p หรือออร์บิทัลอื่นพลังงานต่างกัน นี่เป็นพื้นฐานของลำดับ เอาฟเบา และข้อยกเว้นบางชนิด

เฟสไม่ใช่ประจุ

สีต่างกันหรือเครื่องหมาย +/− บนภาพออร์บิทัลมักแทนเฟสของ ψ ไม่ใช่ประจุไฟฟ้าบวกหรือลบ เมื่อคำนวณ |ψ|² เครื่องหมายหายไป แต่เฟสยังสำคัญต่อการซ้อนทับแบบเสริมและหักล้างในการเกิดพันธะ

ดังนั้นออร์บิทัล p ที่มีสองกลีบไม่ใช่เมฆอิเล็กตรอนสองก้อนอิสระ แต่เป็นสถานะควอนตัมเดียวที่มีระนาบโหนดคั่นกลาง

เอาฟเบา, เพาลี และ ร้อย ตอบคนละคำถาม

เอาฟเบา ช่วยจัดลำดับออร์บิทัลตามพลังงาน หลัก เพาลี จำกัดออร์บิทัลหนึ่งให้มีอิเล็กตรอนได้มากสุดสองตัวที่สปินตรงข้าม และกฎ ร้อย บอกแนวโน้มให้เติมออร์บิทัลพลังงานเท่ากันแบบเดี่ยวด้วยสปินขนานก่อนจับคู่ ทั้งสามกฎจึงต้องใช้ร่วมกันอย่างถูกหน้าที่

ความน่าจะเป็นเชิงรัศมี

|ψ|² บอกความหนาแน่นความน่าจะเป็น ณ จุดหนึ่ง แต่โอกาสพบอิเล็กตรอนในช่วงระยะ r ถึง r+ดร ยังต้องคำนึงถึงปริมาตรของเปลือกทรงกลมที่เพิ่มกับ r ด้วย ดังนั้นตำแหน่งสูงสุดของ การกระจายความน่าจะเป็นในแนวรัศมี อาจไม่ตรงกับตำแหน่งสูงสุดของ |ψ|²

รายละเอียดนี้ช่วยอธิบายว่าทำไมคำว่า “ขนาดออร์บิทัล” ไม่ได้มีเส้นขอบธรรมชาติที่คมชัด นักเคมีจึงเลือกผิวความน่าจะเป็น เช่น 90% หรือค่าคงที่อื่นเพื่อวาดภาพที่ใช้งานได้

แบบฝึกหัด

3p

ค่า l และจำนวนออร์บิทัล?

เฉลย: p มี l = 1, mₗ = −1,0,+1 จึงมี 3 ออร์บิทัลและบรรจุได้ 6 อิเล็กตรอน

4d

บรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุดเท่าใด?

เฉลย: d มี 5 ออร์บิทัล × 2 = 10 อิเล็กตรอน

3s

ออร์บิทัลแบบไฮโดรเจน 3s มีโหนดแนวรัศมีกี่โหนด?

เฉลย: n−l−1 = 3−0−1 = 2