ЧТО ТАКОЕ ВЫРОЖДЕННЫЕ ОРБИТАЛИ? - ХИМИЯ - 2024

В вырожденных орбиталей те , кто находится на том же уровне энергии. Согласно этому определению, они должны иметь одинаковое главное квантовое число n. Таким образом, орбитали 2s и 2p являются вырожденными, так как они принадлежат к энергетическому уровню 2. Однако известно, что их угловые и радиальные волновые функции различны.

По мере увеличения значений n электроны начинают занимать другие энергетические подуровни, такие как d- и f-орбитали. Каждая из этих орбиталей имеет свои особенности, которые на первый взгляд можно увидеть по их угловатой форме; Это сферические фигуры, гантели (р), клеверный лист (г) и шаровидные (е) фигуры.

Источник: Габриэль Боливар

Между ними существует энергетическая разница, даже относящаяся к одному уровню n.

Например, на изображении выше показана энергетическая схема с орбиталями, занятыми неспаренными электронами (ненормальный случай). Видно, что из всех наиболее стабильных (с наименьшей энергией) является ns-орбиталь (1s, 2s, …), а nf является наиболее нестабильной (с наибольшей энергией).

Вырожденные орбитали изолированного атома

Вырожденные орбитали с одинаковым значением n находятся на одной линии в энергетической схеме. По этой причине три красные полосы, которые символизируют p-орбитали, расположены на одной линии; как и фиолетовые и желтые полосы таким же образом.

Диаграмма на изображении нарушает правило Хунда: орбитали с более высокими энергиями заполняются электронами, не спаривая их сначала в орбитали с более низкими энергиями. По мере спаривания электронов орбиталь теряет энергию и оказывает большее электростатическое отталкивание неспаренным электронам других орбиталей.

Однако на многих энергетических диаграммах такие эффекты не учитываются. Если это так, и подчиняться правилу Хунда без полного заполнения d-орбиталей, было бы видно, что они перестают быть вырожденными.

Как упоминалось ранее, каждая орбиталь имеет свои особенности. У изолированного атома с его электронной конфигурацией электроны расположены на определенном количестве орбиталей, на котором они расположены. Только равные по энергии могут считаться вырожденными.

Орбитали p

Три красные полосы для вырожденных p-орбиталей на изображении показывают, что и p _x , p, _и p _z имеют одинаковую энергию. В каждом есть неспаренный электрон, описываемый четырьмя квантовыми числами (n, l, ml и ms), а первые три описывают орбитали.

Единственная разница между ними обозначена магнитным моментом ml, который рисует путь p _x по оси x, p _y по оси y и p _z по оси z. Все трое одинаковы, но отличаются только своей пространственной ориентацией. По этой причине они всегда рисуются выровненными по энергии, то есть вырожденными.

Поскольку они равны, изолированный атом азота (с конфигурацией 1s ² 2s ² 2p ³ ) должен сохранять свои три p-орбитали вырожденными. Однако энергетический сценарий резко меняется, если рассматривать атом азота внутри молекулы или химического соединения.

Зачем? Поскольку, хотя p _x , p _{и и} p _z равны по энергии, она может варьироваться в каждом из них, если они имеют различное химическое окружение; то есть, если они связаны с разными атомами.

Орбитали d

Есть пять фиолетовых полос, которые обозначают d-орбитали. В изолированном атоме, даже если у них есть парные электроны, эти пять орбиталей считаются вырожденными. Однако, в отличие от p-орбиталей, на этот раз наблюдается заметная разница в их угловых формах.

Следовательно, его электроны перемещаются в пространстве в разных направлениях, которые меняются от одной орбиты к другой. Это вызывает, согласно теории кристаллического поля, что минимальное возмущение вызывает энергетическое удвоение орбиталей; то есть пять фиолетовых полос разделяются, оставляя между собой энергетический зазор:

Источник: Габриэль Боливар

Каковы верхние орбитали и каковы нижние орбитали? Те, что вверху, обозначены как e _g , а те, что ниже t _2g . Обратите внимание, как первоначально все фиолетовые полосы были выровнены, а теперь сформировался набор из двух орбиталей e _g, более энергичных, чем другой набор из трех орбиталей t _2g .

Эта теория позволяет объяснить dd-переходы, которым приписывают многие цвета, наблюдаемые в соединениях переходных металлов (Cr, Mn, Fe и др.). И чем вызвано это электронное нарушение? К координационным взаимодействиям металлического центра с другими молекулами, называемыми лигандами.

Орбитали f

А с f-орбиталями, фетровыми желтыми полосами, ситуация становится еще более сложной. Их пространственные направления сильно различаются между ними, и визуализация их связей становится слишком сложной.

Фактически считается, что f-орбитали имеют настолько внутреннюю оболочку, что они «не участвуют в значительной степени» в образовании связи.

Когда изолированный атом с f-орбиталями окружает себя другими атомами, начинается взаимодействие и происходит развертывание (потеря вырожденности):

Источник: Габриэль Боливар

Обратите внимание, что теперь желтые полосы образуют три набора: t _1g , t _2g и a _1g , и что они больше не являются вырожденными.

Вырожденные гибридные орбитали

Было замечено, что орбитали могут разворачиваться и терять вырождение. Однако, хотя это объясняет электронные переходы, это меркнет в объяснении того, как и почему существуют разные молекулярные геометрии. Вот тут и пригодятся гибридные орбитали.

Каковы его основные характеристики? Что они дегенераты. Таким образом, они возникают из смеси признаков s, p, d и f орбиталей, чтобы порождать вырожденные гибриды.

Например, три p-орбитали смешиваются с одной s, чтобы получить четыре sp ³ -орбитали . Все sp ³ -орбитали вырождены и поэтому имеют одинаковую энергию.

Если дополнительно смешать две d-орбитали с четырьмя sp ³ , мы получим шесть sp ³ d ² орбиталей .

И как они объясняют молекулярную геометрию? Поскольку их шесть с равными энергиями, они должны быть симметрично ориентированы в пространстве для создания одинаковых химических сред (например, в соединении MF ₆ ).

Когда они это делают, образуется координационный октаэдр, который равен октаэдрической геометрии вокруг центра (M).

Однако геометрия часто искажается, что означает, что даже гибридные орбитали на самом деле не полностью вырождены. Таким образом, можно заключить, что вырожденные орбитали существуют только в изолированных атомах или в высокосимметричных средах.

Ссылки

1. Chemicool Dictionary. (2017). Определение вырожденного. Получено с: chemicool.com
2. ООО "Спаркнотес". (2018). Атомы и атомные орбитали. Получено с: sparknotes.com
3. Чистая химия. (SF). Электронная конфигурация. Получено с: es-puraquimica.weebly.com
4. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
5. Морено Р. Эспарса. (2009). Курс координационной химии: поля и орбитали. . Получено с: depa.fquim.unam.mx
6. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.