ЩО ТАКЕ ВИРОДЖЕНІ ОРБІТАЛІ? - ХІМІЯ - 2025

У вироджених орбіталей ті , хто знаходиться на тому ж рівні енергії. Згідно з цим визначенням, вони повинні мати однакове головне квантове число n. Таким чином, орбіталі 2s і 2p вироджуються, оскільки належать до енергетичного рівня 2. Однак відомо, що їх кутова і радіальна хвильові функції різні.

Зі збільшенням значень n електрони починають займати інші енергетичні підрівні, такі як орбіталі d і f. Кожна з цих орбіталей має свої особливості, які на перший погляд можна побачити за їх кутовими формами; Це сферичні (и), гантельні (р), конюшинові (d) та кульові (f) фігури.

Джерело: Габріель Болівар

Між ними існує енергетична різниця, навіть належність до того ж n рівня.

Наприклад, на зображенні вище показана енергетична схема з орбіталями, зайнятими непарними електронами (аномальний випадок). Видно, що з усіх найбільш стабільних (той, що має найменшу енергію) орбітальна ns (1s, 2s, …), тоді як nf є найбільш нестійким (той, що має найвищу енергію).

Вироджені орбіталі ізольованого атома

Вироджені орбіталі, з однаковим значенням n, знаходяться в одній лінії в енергетичній схемі. З цієї причини три червоні смуги, що символізують p орбіталі, розташовані на одній лінії; як фіолетові та жовті смуги однаково.

Діаграма на зображенні порушує правило Гунда: вищі енергетичні орбіталі заповнюються електронами, не сполучаючи їх спочатку в нижньоенергетичні. Під час спарювання електронів орбітала втрачає енергію і здійснює більшу електростатичну відштовхування на непарних електронах інших орбіталей.

Однак такі ефекти не розглядаються у багатьох енергетичних діаграмах. Якщо так, і підкоряючись правилу Гунда, не заповнивши повністю орбіталі d, було б видно, що вони перестають вироджуватися.

Як було сказано раніше, кожна орбіталь має свої особливості. Ізольований атом зі своєю електронною конфігурацією має свої електрони, розташовані в точній кількості орбіталей для їх розміщення. Виродженими можна вважати лише ті, які за рівнем енергії.

Орбіталі с

Три червоні смуги для вироджених p орбіталей на зображенні означають, що і p _x , p, _і p _z мають однакову енергію. У кожному є непарний електрон, описаний чотирма квантовими числами (n, l, ml та ms), а перші три описують орбіталі.

Єдина відмінність між ними позначається магнітним моментом ml, який малює шлях p _x на осі x, p _y на осі y і p _z на осі z. Усі троє однакові, але відрізняються лише своїми просторовими орієнтаціями. З цієї причини вони завжди вирівнюються енергією, тобто вироджуються.

Оскільки вони рівні, ізольований атом азоту (з конфігурацією 1s ² 2s ² 2p ³ ) повинен підтримувати свої три p орбіталі, що вироджуються. Однак енергетичний сценарій різко змінюється, якщо розглядати атом N у молекулі чи хімічній сполуці.

Чому? Тому що, хоча p _x , p _і p _z рівні за рівнем енергії, він може змінюватися в кожному з них, якщо вони мають різні хімічні середовища; тобто якщо вони зв’язуються з різними атомами.

Орбіталі d

Є п'ять фіолетових смуг, які позначають d орбіталей. В ізольованому атомі, навіть якщо вони мають парні електрони, ці п’ять орбіталей вважаються виродженими. Однак, на відміну від p орбіталей, цього разу помітна різниця в їх кутових формах.

Тому його електрони рухаються в просторі, які змінюються від однієї орбіталі до іншої. Це обумовлює, згідно з теорією кристалічного поля, що мінімальне порушення викликає енергійне подвоєння орбіталей; тобто п'ять фіолетових смуг розділяються, залишаючи між собою енергетичний проміжок:

Джерело: Габріель Болівар

Що таке верхні орбіталі, а які - нижня? Ті, що вище, символізуються як e _g , а ті, що нижче t _2g . Зверніть увагу, як спочатку всі фіолетові смуги були вирівняні, а тепер утворився набір з двох e _g орбіталей, більш енергійний, ніж інший набір з трьох t _2g орбіталей .

Ця теорія дозволяє пояснити переходи DD, до яких відносять багато кольорів, що спостерігаються у сполуках перехідних металів (Cr, Mn, Fe та ін.). І з чим це електронне порушення? До координаційних взаємодій металевого центру з іншими молекулами, які називаються лігандами.

Орбіталі f

А з f орбіталями, фетровими жовтими смугами ситуація стає ще складнішою. Їх просторові напрямки між ними сильно різняться, і візуалізація їх зв’язків стає надто складною.

Насправді, f орбіталі вважаються настільки внутрішньо покритими, що вони не «беруть помітної участі» у формуванні облігацій.

Коли відокремлений атом з f орбіталями оточує себе іншими атомами, починаються взаємодії і відбувається розгортання (втрата виродження):

Джерело: Габріель Болівар

Зауважте, що нині жовті смужки утворюють три набори: t _1g , t _2g та _1g , і що вони більше не вироджуються.

Вироджені гібридні орбіталі

Видно, що орбіталі можуть розгортатися і втрачати виродження. Однак, хоча це пояснює електронні переходи, воно зникає в з'ясуванні того, як і чому існують різні молекулярні геометрії. Тут заходять гібридні орбіталі.

Які його основні характеристики? Що вони вироджені. Таким чином, вони виникають із суміші символів s, p, d та f орбіталей, зароджуючи вироджені гібриди.

Наприклад, три p орбіталі змішуються з одним s, щоб отримати чотири sp ³ орбіталі . Всі орбіталі sp ³ вироджуються і тому мають однакову енергію.

Якщо, крім того, дві d орбіталі змішати з чотирма sp ³ , ми отримаємо шість sp ³ d ² орбіталей .

І як вони пояснюють молекулярну геометрію? Оскільки їх шість з однаковою енергією, тому вони повинні бути орієнтовані симетрично в просторі для створення рівних хімічних середовищ (наприклад, у сполуці MF ₆ ).

Коли вони роблять, формується координаційний октаедр, який дорівнює восьмеричній геометрії навколо центру (М).

Однак геометрії часто спотворюються, а це означає, що навіть гібридні орбіталі насправді не повністю вироджуються. Тому, підсумовуючи, вироджені орбіталі існують лише в ізольованих атомах або у високосиметричних середовищах.

Список літератури

1. Хімічний словник. (2017). Визначення виродженого. Відновлено з: chemicool.com
2. SparkNotes LLC. (2018). Атоми та атомні орбіталі. Відновлено з: sparknotes.com
3. Чиста хімія. (sf). Електронна конфігурація. Відновлено з: es-puraquimica.weebly.com
4. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
5. Морено Р. Еспарза. (2009). Курс координаційної хімії: Поля та орбіталі. . Відновлено з: depa.fquim.unam.mx
6. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.