7.11: Атомные орбитали

Атомная орбиталь представляет собой трехмерные области в атоме, где электрон имеет наибольшую вероятность находиться. Функция радиального распределения указывает на общую вероятность нахождения электрона в тонкой оболочке на расстоянии r от ядра. У атомных орбиталей есть четкие формы, которые определяются l, угловым квантовым числом импульса. Орбитали часто рисуются с граничной поверхностью, включающей самые плотные области облака.  

Квантовое число углового импульса представляет собой целое число, которое может принимать значения, l = 0, 1, 2, …, n – 1. Орбиталь с главным квантовым числом 1 (n = 1) может иметь только одно значение l (l = 0), тогда как основное квантовое число 2 (n = 2) допускает l = 0 и l = 1. Orbitals с таким же значением l определяют подоболочку.

Орбитали с l = 0 называются s орбиталями, и они составляют подоболочки s . Значение l = 1 соответствует p орбиталям. Для данного n p орбитали составляют подоболочку p (т.е. 3 p , если n = 3). Орбитали с l = 2 называются d орбиталями. Орбитали с l = 3, 4 и 5 – это орбитали f , g и h . & Nbsp ;

Орбиталь с наименьшей энергией – это орбиталь 1 с . Это сферически-симметричная орбиталь. Плотность вероятности ( & psi; ² ) орбитали 1 s подразумевает, что электрон, скорее всего, будет обнаружен в ядре. Однако, учитывая электростатические силы между протонами и электронами, это не дает точного представления о том, где будет находиться электрон. Вместо этого используется функция радиального распределения, & nbsp; которая представляет собой график полной вероятности обнаружения электрона на орбитали с заданным радиусом r . Функция радиального распределения находится путем умножения плотности вероятности на объем тонких сферических оболочек с радиусами r . Для 1 s орбитали водорода функция радиального распределения имеет нулевое значение в ядре, которое увеличивается до максимума на 52,9 пикометра, а затем уменьшается с увеличением r .

Есть определенные расстояния от ядра, на которых плотность вероятности нахождения электрона, находящегося на определенной орбитали, равна нулю. Другими словами, значение волновой функции & psi; равно нулю на этом расстоянии для этой орбиты. Такое значение r называется радиальным узлом. Количество радиальных узлов на орбите n & ndash; l & ndash; 1. Для 2 s орбиталей, где n = 1, имеется один радиальный узел, тогда как для 3 s орбиталей есть два радиальных узла. & nbsp;

Каждый главный уровень с n = 2 или более содержит три p орбитали. Три орбитали p имеют две доли с узлом, расположенным в ядре. Ориентация орбиталей p в пространстве описывается значением m _l . Три орбитали p взаимно перпендикулярны (ортогональны) друг другу. Более высокие орбитали p (3 p , 4 p , 5 p и выше) имеют похожие формы, но большего размера с дополнительными радиальными узлами.

Основные уровни с n = 3 или более содержат пять d орбиталей. Четыре из этих орбиталейимеют форму листика клевера, с четырьмя долями электронной плотности. В ядре пересекаются две перпендикулярные узловые плоскости. В этих узловых плоскостях плотность электронов равна нулю. Одна из орбиталей d немного отличается по форме и имеет две доли, ориентированные по оси z с кольцом в форме пончика в xy самолет. Основные уровни с n = 4 и выше содержат семь орбиталей f сложной формы. Эти орбитали имеют больше узлов и лепестков, чем d орбитали.

Рисунок 1: Репрезентативные s, p, d и f orbitals.

Эти различные формы атомных орбиталей представляют собой трехмерные области, в которых, вероятно, будет обнаружен электрон. Все орбитали вместе составляют примерно сферическую форму, поэтому атомы обычно представлены как сферы.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 6.3: Развитие квантовой теории.