Атомные орбитали – одно из основных понятий в квантовой механике, которое позволяет объяснить расположение электронов в атоме. Орбитали представляют собой области пространства, в которых с высокой вероятностью можно найти электрон, движущийся вокруг ядра.
Орбитали классифицируются по различным квантовым числам, таким как главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Главное квантовое число определяет энергетический уровень электрона, а орбитальное и магнитное квантовые числа – форму орбитали и ее ориентацию в пространстве.
Существует несколько разновидностей атомных орбиталей:
- Орбиталь s – сферическая форма, наиболее близка к ядру и обладающая наименьшей энергией. Каждая орбиталь s вмещает до двух электронов;
- Орбитали p – имеют форму шестилистника, состоят из трех параллельных плоскостей. Каждая орбиталь p вмещает до шести электронов;
- Орбитали d – имеют сложную форму с различными направлениями и ориентацией. Каждая орбиталь d вмещает до десяти электронов;
- Орбитали f – имеют еще более сложную форму, напоминающую цветок. Каждая орбиталь f может вмещать до четырнадцати электронов.
Атомные орбитали определяют, как электроны размещаются вокруг ядра атома и как они участвуют в химических реакциях. Изучение орбиталей является важным инструментом для понимания строения и свойств вещества.
Что такое атомные орбитали?
Атомные орбитали сгруппированы по энергии, а также по форме и ориентации. Существует несколько разновидностей орбиталей, таких как s-орбитали, p-орбитали, d-орбитали и f-орбитали. Каждая разновидность имеет свою особую форму и энергию.
Орбитали определяют положение электрона в атоме, а также его свойства и химическое поведение. Они существуют в различных энергетических уровнях, которые определяются квантовыми числами (главным, орбитальным и магнитным квантовыми числами).
Структура атома базируется на атомных орбиталях, которые указывают на число электронов, которые могут находиться в каждом энергетическом уровне. Атомные орбитали также взаимодействуют друг с другом, обеспечивая атомную связь и образование молекул.
История открытия
Первые шаги в понимании структуры атома
В XIX веке ученые начали осознавать, что атомы не являются неделимыми частицами. Джон Долтон предложил модель атома, согласно которой он был представлен в виде однородной сферы. Однако в начале XX века открытие радиоактивности Генри Беккереля было ключевым фактором, приведшим к изменению представления о структуре атома.
Открытие электронов
В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл существование электронов, проводя эксперименты с газовыми разрядами. Он установил, что электроны являются частью атома и имеют отрицательный электрический заряд.
Модель атома Резерфорда
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил модель атома, согласно которой положительное зарядное ядро находится в центре, а электроны движутся по орбитам вокруг него. Эта модель объясняла результаты его экспериментов, но имела недостаток: согласно законам электромагнетизма, электроны должны были излучать энергию и терять скорость, что привело бы к их падению на ядро.
Открытие атомных орбиталей
В 1927 году Уолтер Климшель разработал математическую модель атомных орбиталей, которая предполагала наличие определенных областей пространства, где электрон может находиться с наибольшей вероятностью. Благодаря этим орбиталям было возможно объяснить многие свойства атомов и их химическое поведение.
В дальнейшем, исследования в области атомных орбиталей продолжились. Ученые открыли различные формы орбиталей, такие как s-, p-, d- и f-орбитали, каждая из которых имеет свою уникальную форму и энергию.
История открытия атомных орбиталей является важной частью науки о строении атомов и помогает понять их сложное устройство и поведение.
Разновидности атомных орбиталей
Существует несколько разновидностей атомных орбиталей, которые различаются формой и ориентацией в пространстве. Эти разновидности орбиталей помогают определить энергию и поведение электронов в атоме.
Орбитали могут быть сферическими или плоскими. Сферические орбитали называются s-орбиталями и являются наиболее простой формой орбиталей. Они имеют форму сферы и максимальную вероятность нахождения электрона вокруг ядра.
Плоские орбитали классифицируются как p-орбитали. Они имеют форму двух симметричных по отношению к ядру лепестков, ориентированных в трех перпендикулярных друг другу плоскостях. Из-за их ориентации, p-орбитали могут пространственно взаимодействовать друг с другом и образовывать более сложные структуры в молекуле.
Также существуют d-орбитали, которые имеют более сложную структуру и форму, состоящую из четырех лобков и одного диска, связанных между собой. Они используются для описания энергетических уровней и поведения электронов в атомах с более высоким атомным номером.
Все эти разновидности орбиталей вместе формируют электронную оболочку атома, определяющую его свойства и реакционную способность.
Особенности s-орбиталей
- Форма: S-орбитали сферической формы и равномерно распределены вокруг ядра атома. Это означает, что вероятность обнаружить электрон в любой точке вокруг ядра одинакова.
- Размер: Радиус S-орбиталей увеличивается при переходе от 1s-орбитали к 2s-орбитали, и так далее. Это связано с тем, что с увеличением главного квантового числа электроны находятся на больших расстояниях от ядра, что приводит к увеличению размера орбитали.
- Энергия: S-орбитали имеют наименьшую энергию среди всех атомных орбиталей. Например, 1s-орбиталь имеет наименьшую энергию в системе атомных орбиталей атома.
- Вместимость: Каждая S-орбиталь может вместить максимум 2 электрона. Это связано с тем, что S-орбитали являются базовыми орбиталями и имеют минимальное количество момента импульса.
- Спин: Каждый электрон в S-орбитали имеет свой магнитный момент или спин, который является либо вверх, либо вниз. Это указывает на то, что S-орбитали могут содержать пары спином — парные электроны, имеющие противоположные значения спина.
В целом, S-орбитали играют важную роль в описании электронного строения атомов и определяют много химических свойств элементов.
Особенности p-орбиталей
П-орбитали имеют форму двуполостного клона, что отличает их от орбиталей других типов. Они состоят из трех орбиталей p_x, p_y и p_z, которые ориентированы вдоль трех перпендикулярных направлений.
p-орбитали имеют форму грушевидного внешнего вида. Это означает, что плотность электронов в п-орбиталях находится преимущественно вблизи ядра в форме двух вытянутых плошек.
Каждая из трех p-орбиталей способна вместить максимум два электрона с противоположным спином. Они также обладают энергетическими уровнями. Например, p_x-орбиталь находится на одном энергетическом уровне с p_y-орбиталью, но на отличном энергетическом уровне от p_z-орбитали.
Особенности p-орбиталей делают их важными для объяснения химических свойств множества элементов. Взаимодействие электронов в p-орбиталях с другими атомами и молекулами играет роль в химических реакциях и образовании связей. Одной из ключевых особенностей p-орбиталей является возможность образования пи-связей, которые расположены по вертикали между атомами или молекулами и способствуют образованию двойных и тройных связей.