المدارات الذرية في تكوينها ، وكيف يتم ترميزها وأنواعها



ال المدارات الذرية هي تلك المناطق من الذرة المحددة بواسطة دالة الموج للإلكترونات. الدوال الموجية عبارة عن تعبيرات رياضية تم الحصول عليها من تحليل معادلة شرودنجر. هذه تصف حالة الطاقة لإلكترون واحد أو أكثر في الفضاء ، وكذلك احتمال العثور عليه.

هذا المفهوم الفيزيائي ، الذي يطبقه الكيميائيون لفهم الارتباط والجدول الدوري ، يعتبر الإلكترون كموجة وجسيم في نفس الوقت. لذلك ، يتم تجاهل صورة النظام الشمسي ، حيث الإلكترونات هي كواكب تدور في مدارات حول النواة أو الشمس.

هذا التصور المتقادم عملي عند توضيح مستويات الطاقة في الذرة. على سبيل المثال: دائرة محاطة بحلقات متحدة المركز تمثل المدارات ، وإلكتروناتها الساكنة. في الواقع ، هذه هي الصورة التي يتم بها إدخال الذرة للأطفال والشباب.

ومع ذلك ، فإن التركيب الذري الحقيقي معقد للغاية لدرجة أنه لا يوجد حتى صورة تقريبية منه.

عند النظر إلى الإلكترون كجسيم موجي وحل معادلة شرودنجر التفاضلية لذرة الهيدروجين (أبسط نظام على الإطلاق) ، تم الحصول على أرقام الكم الشهيرة.

تشير هذه الأرقام إلى أن الإلكترونات لا يمكن أن تشغل أي مكان من الذرة ، ولكن فقط تلك التي تطيع على مستوى من الطاقة السرية والكمية. يُعرف التعبير الرياضي لما سبق بوظيفة الموج.

وهكذا ، من ذرة الهيدروجين ، تم تقدير سلسلة من الحالات النشطة التي تحكمها أعداد الكم. سميت هذه الدول الطاقة المدارات الذرية.

ولكن هذه وصفت فقط مكان وجود الإلكترون في ذرة الهيدروجين. بالنسبة للذرات الأخرى ، الإلكترونيات المتعددة ، من الهليوم فصاعدًا ، تم إجراء تقريب مداري. لماذا؟ لأن حل معادلة شرودنجر للذرات مع إلكترونين أو أكثر معقد للغاية (حتى مع التكنولوجيا الحالية).

مؤشر

  • 1 ما هي المدارات الذرية?
    • 1.1 وظيفة موجة شعاعي
    • 1.2 وظيفة الموجة الزاوي
    • 1.3 احتمالية إيجاد الإلكترون والرابطة الكيميائية
  • 2 كيف يتم ترميزها?
  • 3 أنواع
    • 3.1 المدارات
    • 3.2 المدارات ص
    • 3.3 المدارات د
    • 3.4 المدارات
  • 4 المراجع

ما هي المدارات الذرية?

المدارات الذرية هي وظائف موجية تتكون من مكونين: واحد شعاعي وواحد زاوي. يتم كتابة هذا التعبير الرياضي على النحو التالي:

ΨNLML = صنيكولا لانغ(ص) · صLML(Θφ)

على الرغم من أنه قد يبدو معقدًا في البداية ، لاحظ أن الأرقام الكمومية ن, ل و مل يشار إليها بأحرف صغيرة. وهذا يعني أن هذه الأرقام الثلاثة تصف المدارية. Rنيكولا لانغ(ص) ، والمعروف باسم وظيفة شعاعي ، يعتمد على ن و ل. بينما YLML(θφ) ، وظيفة الزاوي ، يعتمد على ل و مل.

في المعادلة الرياضية ، توجد أيضًا المتغيرات r والمسافة إلى النواة و θ و φ. نتيجة كل هذه المجموعة من المعادلات هو التمثيل المادي للمدارات. ماذا؟ واحد ينظر في الصورة أعلاه. هناك سلسلة من المدارات التي سيتم شرحها في الأقسام التالية.

تأتي أشكالها وتصميماتها (وليس الألوان) من رسم وظائف الموجة ومكوناتها الشعاعية والزاوية في الفضاء.

وظيفة موجة شعاعي

كما رأينا في المعادلة ، Rنيكولا لانغ(ص) ذلك يعتمد كثيرا على ن اعتبارا من ل. ثم ، يتم وصف وظيفة الموجة الشعاعية بمستوى الطاقة الرئيسي ومستوياته الفرعية.

إذا أمكن التقاط صورة للإلكترون دون مراعاة اتجاهها ، فيمكن ملاحظة نقطة صغيرة لا متناهية. بعد ذلك ، بأخذ ملايين الصور ، يمكنك تفصيل كيفية تغير سحابة النقطة استنادًا إلى المسافة إلى النواة.

بهذه الطريقة ، يمكن مقارنة كثافة السحابة في مسافات النواة وقربها. إذا تم تكرار نفس العملية ولكن مع مستوى طاقة آخر أو مستوى فرعي ، سيتم تشكيل سحابة أخرى تحيط بالسابقة. بين الاثنين هناك مساحة صغيرة حيث الإلكترون لا يقع أبدا. هذا هو ما يعرف باسم العقدة الشعاعية.

أيضا ، في الغيوم هناك مناطق ذات كثافة إلكترونية أعلى وأقل. عندما تصبح أكبر وتتحرك بعيدًا عن النواة ، يكون لها العقد الشعاعية ؛ وأيضا ، المسافة ص حيث يدور الإلكترون بشكل متكرر أكثر وأكثر احتمالًا للعثور عليه.

وظيفة الموجة الزاوي

مرة أخرى ، من المعادلة فمن المعروف أن YLML(θφ) يوصف أساسًا بأعداد الكم ل و مل. هذه المرة يشارك في عدد الكم المغناطيسي ، وبالتالي ، يتم تعريف اتجاه الإلكترون في الفضاء ؛ ويمكن رسم هذا العنوان من المعادلات الرياضية التي تنطوي على المتغيرات θ و φ.

الآن ، لا نشرع في التقاط صور فوتوغرافية ، ولكن لتسجيل فيديو لمسار الإلكترون في الذرة. على عكس التجربة السابقة ، من غير المعروف أين يقع الإلكترون بالضبط ، ولكن إلى أين هو ذاهب.

عند التحرك ، يصف الإلكترون سحابة أكثر تحديدًا ؛ في الواقع ، شكل كروي ، أو واحد مع فصوص ، مثل تلك التي تظهر في الصورة. يوصف نوع الأرقام واتجاهها في الفضاء ل و مل.

هناك مناطق قريبة من النواة ، حيث لا يمر الإلكترون ويختفي الشكل. تعرف هذه المناطق باسم العقد الزاوي.

على سبيل المثال ، إذا لوحظ أول مداري كروي ، استنتج بسرعة أنه متماثل في جميع الاتجاهات ؛ ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال مع المدارات الأخرى ، التي تكشف أشكالها عن مسافات فارغة. ويمكن ملاحظة هذه في أصل الطائرة الديكارتية ، وفي الطائرات الوهمية بين الفصوص.

احتمال العثور على الإلكترون والرابطة الكيميائية

لتحديد الاحتمال الحقيقي لإيجاد إلكترون في المدار ، يجب النظر في الوظيفتين: شعاعي وزاوي. لذلك ، لا يكفي افتراض المكون الزاوي ، أي الشكل المصور للمدارات ، ولكن أيضًا كيف تتغير كثافته الإلكترونية فيما يتعلق بمسافة النواة..

ومع ذلك ، لأن العناوين (مل) يميز المداري عن الآخر ، من العملي (على الرغم من أنه ربما ليس صحيحًا تمامًا) النظر فقط في شكله. بهذه الطريقة ، يتم شرح وصف الرابطة الكيميائية بالتداخل بين هذه الأشكال.

على سبيل المثال ، تظهر صورة مقارنة لثلاث مدارات أعلاه: 1 ثانية و 2 ثانية و 3 ثانية. لاحظ العقد الشعاعية في الداخل. المدار 1s يفتقر إلى عقدة ، في حين أن اثنين آخرين لديه واحد واثنين من العقد.

عند التفكير في رابطة كيميائية ، من الأسهل أن تضع في اعتبارك فقط الشكل الكروي لهذه المدارات. بهذه الطريقة ، يقترب المداري ns من الآخر ، وعلى مسافة ص, سوف يشكل الإلكترون رابطة مع إلكترون الذرة المجاورة. من هنا تنشأ العديد من النظرية (TEV و TOM) التي تشرح هذا الرابط.

كيف يتم ترميزها?

المدارات الذرية ، بشكل واضح ، ترمز إلى: نيكولا لانغمل.

تأخذ الأرقام الكمومية قيمًا كاملة 0 ، 1 ، 2 ، إلخ ، ولكن لترمز إلى المدارات فقط يُترك لها ن قيمة عددية بينما ل ل, يتم استبدال الرقم بالكامل بحرفه (s ، p ، d ، f) ومن أجل مل, صيغة متغيرة أو رياضية (باستثناء مل= 0).

على سبيل المثال ، بالنسبة إلى المدار 1s: ن= 1 ، s = 0 ، و مل= 0 الأمر نفسه ينطبق على جميع مدارات ns (2s ، 3s ، 4s ، إلخ).

ترمز إلى بقية المدارات ، فمن الضروري معالجة أنواعها ، كل منها بمستويات الطاقة وخصائصها.

نوع

الصورة المدارات

الأرقام الكمومية ل= 0 و مل= 0 (بالإضافة إلى مكوناتها الشعاعية والزاوية) تصف المدارية ذات الشكل الكروي. هذا هو الذي يرأس هرم المدارات من الصورة الأولية. أيضًا ، كما هو موضح في صورة العقد الشعاعية ، يمكن توقع أن تكون مدارات 4s و 5s و 6s تحتوي على ثلاثة وأربعة وخمس نقاط.

تتميز بأنها متناظرة وتجربة إلكتروناتها شحنة نووية أكثر فعالية. وذلك لأن إلكتروناتها يمكنها اختراق الطبقات الداخلية وتحوم بالقرب من النواة ، مما يؤدي إلى جذب إيجابي لها.

لذلك ، هناك احتمال أن الإلكترون 3s يمكن اختراق المدارية 2s و 1s ، تقترب من النواة. تشرح هذه الحقيقة سبب كون الذرة ذات المدارات sp الهجينة أكثر سالبة للكهرباء (مع ميل أكبر لجذب الكثافة الإلكترونية للذرات المجاورة لها) أكثر من تلك المرتبطة بالتهجين sp.3.

وبالتالي ، فإن إلكترونات المدارات هي تلك الأكثر تجربة لشحنة النواة وأكثر حيوية. معا ، تمارس تأثيرًا وقائيًا على إلكترونات المستويات الفرعية أو المدارية الأخرى ؛ أي أنها تقلل الشحنة النووية الحقيقية Z التي تعاني منها معظم الإلكترونات الخارجية.

المدارات ص

المدارات p تمتلك الأرقام الكمومية ل= 1 ، وقيم مل= -1 ، 0 ، +1. أي أن الإلكترون الموجود في هذه المدارات يمكنه أن يأخذ ثلاثة اتجاهات ، يتم تمثيلها كدمبل أصفر (وفقًا للصورة أعلاه).

لاحظ أنه يتم وضع كل دمبل على طول المحور الديكارتي س, و و ض. لذلك ، يُشار إلى ذلك المداري p الموجود على المحور x ، بـ pس. الواحد على المحور ص ، صو. وإذا كانت تشير عموديًا إلى المستوى xy ، أي على المحور z ، عندئذ تكون pض.

جميع المدارات عمودي على بعضها البعض ، أي أنها تشكل زاوية 90º. أيضًا ، تختفي الوظيفة الزاوية في النواة (أصل المحور الديكارتي) ، ولا يوجد سوى احتمال العثور على الإلكترون داخل الفصوص (تعتمد كثافة الإلكترون على الوظيفة الشعاعية).

ضعف تأثير التدريع

لا تستطيع إلكترونات هذه المدارات اختراق الطبقات الداخلية بنفس السهولة التي تتمتع بها المدارات. عند مقارنة أشكالها ، يبدو أن المدارات p أقرب إلى النواة. ومع ذلك ، توجد إلكترونات ns في أغلب الأحيان حول النواة.

ما هي نتيجة ما سبق؟ أن إلكترون NP يواجه شحنة نووية أقل فعالية. وبالإضافة إلى ذلك ، يتم تقليل هذا الأخير من خلال تأثير الفرز للمدارات الصورة. وهذا ما يفسر ، على سبيل المثال ، سبب وجود ذرة مع sp المدارية الهجينة3 هو أقل كهربيًا من ذلك مع المدارات sp2 أو sp.

من المهم أيضًا ملاحظة أن كل دمبل يحتوي على مستوى عقدي زاوي ، لكن ليس له عقدة شعاعية (المدارات 2p). بمعنى أنه إذا تم تقسيمها ، فلن توجد بداخلها طبقات مثل المداري 2s ؛ ولكن من المداري 3p فصاعدًا ، ستبدأ مراقبة العقد الشعاعية.

هذه العقد الزاويّة مسؤولة عن حقيقة أن الإلكترونات الخارجية تتعرض لتأثير ضعيف في التدريع. على سبيل المثال ، تحمي إلكترونات 2s إلكترونات المدارات 2p بدرجة أكبر من الإلكترونات 2p إلى الإلكترونات المدارية 3s.

Px و Py و Pz

منذ قيم مل هي -1 و 0 و +1 ، ويمثل كل واحد المدار Px أو Py أو Pz. في المجموع ، يمكنهم استيعاب ستة إلكترونات (اثنان لكل مداري). هذه الحقيقة ضرورية لفهم التكوين الإلكتروني والجدول الدوري والعناصر التي تشكل الكتلة المسماة p.

المدارات د

المدارات د لها قيم ل= 2 و مل= -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2. لذلك هناك خمس مدارات قادرة على الاحتفاظ بعشرة إلكترونات في المجموع. يتم تمثيل الوظائف الزاوية الخمسة للمدارات d في الصورة أعلاه.

أولها ، المدارات ثلاثية الأبعاد ، تفتقر إلى العقد الشعاعية ، ولكن جميعها الأخرى ، باستثناء المدارية دZ2, لديك طائرتان عقديتان. ليس طائرات الصورة ، لأن هذه تظهر فقط حيث يتم وضع محاور الفصوص البرتقالية مع أشكال أوراق البرسيم. الطائرتان العقديتان هما تلك التي تشطر عمودياً على المستوى الرمادي.

أشكالها تجعلها أقل فعالية في حماية الحمل النووي الفعال. لماذا؟ لأنها تحتوي على مزيد من العقد ، والتي من خلالها يمكن للنواة جذب الإلكترونات الخارجية.

لذلك ، تساهم جميع المدارات d في زيادة أنصاف الأقطار الذرية أقل وضوحًا من مستوى طاقة إلى آخر.

المدارات F

أخيرًا ، المدارات f لها عدد كمي بقيم ل= 3 و مل= -3 ، -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، +3. هناك سبعة مدارات f ، ليصبح المجموع 14 إلكترونًا. تبدأ هذه المدارات لتكون متاحة من الفترة 6 ، رمزا بشكل سطحي كما 4f.

كل وظيفة من وظائف الزاوي تمثل فصوص بأشكال معقدة وعدة عقيدات. لذلك ، فإنها تحمي حتى أقل من الإلكترونات الخارجية وتوضح هذه الظاهرة ما يعرف باسم انكماش اللانثانيد.

لهذا السبب بالنسبة للذرات الثقيلة ، لا يوجد تباين واضح في نصف قطرها الذري من مستوى ما ن لآخر ن + 1 (من 6 إلى 7n ، على سبيل المثال). وحتى الآن ، فإن المدارات 5f هي آخر ما تم العثور عليه في الذرات الطبيعية أو الاصطناعية.

مع وضع كل هذا في الاعتبار ، تفتح الهاوية بين ما يعرف باسم المدار والمدارات. على الرغم من حرفي أنها متشابهة ، في الواقع أنها مختلفة جدا.

سمح مفهوم المدار الذري والنهج المداري بتفسيرات للرابطة الكيميائية ، وكيف يمكن أن يؤثر ذلك ، بطريقة أو بأخرى ، على التركيب الجزيئي.

مراجع

  1. رعشة واتكينز. (2008). كيمياء غير عضوية (الطبعة الرابعة ، صفحة 13-8). مولودية جراو هيل.
  2. هاري ب. غراي. (1965). الإلكترونات والترابط الكيميائي. W. A. بنيامين ، نيويورك.
  3. Quimitube. (بدون تاريخ). المدارات الذرية والأعداد الكمومية. تم الاسترجاع من: quimitube.com
  4. السفينة C. R. (2016). تصور مدارات الإلكترون. تم الاسترجاع من: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  5. كلارك ج. (2012). المدارات الذرية. تم الاسترجاع من: chemguide.co.uk
  6. حكايات الكم (26 أغسطس 2011). المدارات الذرية ، كذبة في المدرسة الثانوية. تعافى من: cuentos-cuanticos.com