CO TO SĄ ZDEGENEROWANE ORBITALE? - CHEMIA - 2026

Te zdegenerowane orbitale są ci, którzy są na tym samym poziomie energii. Zgodnie z tą definicją muszą one mieć tę samą główną liczbę kwantową n. Zatem orbitale 2s i 2p są zdegenerowane, ponieważ należą do poziomu energii 2. Wiadomo jednak, że ich funkcje fali kątowej i radialnej są różne.

Wraz ze wzrostem wartości n elektrony zaczynają zajmować inne podpoziomy energii, takie jak orbitale d i f. Każdy z tych orbitali ma swoje własne cechy, które na pierwszy rzut oka można zobaczyć w ich kanciastych kształtach; Są to figury sferyczne (s), hantle (p), koniczyna (d) i kuliste (f).

Źródło: Gabriel Bolívar

Między nimi jest różnica energetyczna, nawet należąca do tego samego poziomu n.

Na przykład powyższy obrazek przedstawia schemat energetyczny z orbitaliami zajętymi przez niesparowane elektrony (przypadek nienormalny). Można zauważyć, że ze wszystkich najbardziej stabilnych (o najniższej energii) jest orbital ns (1s, 2s, …), natomiast nf jest najbardziej niestabilny (ten o największej energii).

Zdegenerowane orbitale izolowanego atomu

Zdegenerowane orbitale o tej samej wartości n znajdują się w tej samej linii w schemacie energetycznym. Z tego powodu trzy czerwone paski, które symbolizują orbitale p, znajdują się na tej samej linii; podobnie jak fioletowe i żółte paski.

Schemat na obrazie narusza zasadę Hunda: orbitale o wyższej energii są wypełnione elektronami bez łączenia ich najpierw w pary z orbitaliami o niższej energii. Gdy elektrony łączą się w pary, orbital traci energię i wywiera silniejsze odpychanie elektrostatyczne na niesparowane elektrony innych orbitali.

Jednak takie efekty nie są uwzględniane na wielu diagramach energii. Jeśli tak, i przestrzegając reguły Hunda bez całkowitego wypełnienia orbitali d, można by zauważyć, że przestały się degenerować.

Jak wspomniano wcześniej, każdy orbital ma swoją własną charakterystykę. Izolowany atom o konfiguracji elektronicznej ma elektrony ułożone na dokładnie określonej liczbie orbitali, aby je pomieścić. Za zdegenerowanych można uznać tylko osoby o równej energii.

Orbitale s

Trzy czerwone paski zdegenerowanych orbitali p na obrazie wskazują, że oba p _x , p _i p _z mają tę samą energię. W każdym z nich znajduje się niesparowany elektron, opisany czterema liczbami kwantowymi (n, l, ml i ms), podczas gdy pierwsze trzy opisują orbitale.

Jedyną różnicą między nimi jest moment magnetyczny ml, który rysuje ścieżkę p _x na osi x, p _y na osi y i p _z na osi z. Wszystkie trzy są takie same, ale różnią się tylko orientacją przestrzenną. Z tego powodu zawsze są narysowane w jednej linii energii, to znaczy zdegenerowane.

Ponieważ są one równe, izolowany atom azotu (w konfiguracji 1s ² 2s ² 2p ³ ) musi utrzymywać swoje trzy orbitale p zdegenerowane. Jednak scenariusz energetyczny zmienia się gwałtownie, jeśli weźmie się pod uwagę atom N w cząsteczce lub związku chemicznym.

Czemu? Ponieważ chociaż p _x , p _i p _z mają taką samą energię, może się różnić w każdym z nich, jeśli mają różne środowiska chemiczne; to znaczy, jeśli wiążą się z różnymi atomami.

Orbitale d

Istnieje pięć fioletowych pasków oznaczających orbitale d. W izolowanym atomie, nawet jeśli mają one sparowane elektrony, te pięć orbitali uważa się za zdegenerowane. Jednak w przeciwieństwie do orbitali p, tym razem występuje wyraźna różnica w ich kształtach kątowych.

Dlatego jego elektrony poruszają się w różnych kierunkach w przestrzeni, które różnią się od jednej orbity do drugiej. To powoduje, zgodnie z teorią pola krystalicznego, że minimalne zakłócenie powoduje energetyczne podwojenie orbitali; to znaczy, że pięć fioletowych pasków rozdziela się, pozostawiając między nimi lukę energetyczną:

Źródło: Gabriel Bolívar

Jakie są górne orbitale, a jakie dolne? Te powyżej oznaczono symbolami a e _g , a te, poniżej t _2g . Uwaga jak początkowo wszystkie fioletowe paski były wyrównane i teraz zestaw dwóch e _g orbitali bardziej energiczny niż drugi zestaw trzech ţ _2G orbitali powstał .

Teoria ta pozwala nam wyjaśnić przejścia dd, którym przypisuje się wiele kolorów obserwowanych w związkach metali przejściowych (Cr, Mn, Fe itp.). A skąd to elektroniczne zakłócenie? Do koordynacyjnych interakcji centrum metalu z innymi cząsteczkami zwanymi ligandami.

Orbitale f

A w przypadku orbitali f, filcowych żółtych pasków, sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowana. Ich kierunki przestrzenne znacznie się między nimi różnią, a wizualizacja ich powiązań staje się zbyt złożona.

W rzeczywistości uważa się, że orbitale f są tak osłonięte wewnętrznie, że nie „uczestniczą w znacznym stopniu” w tworzeniu wiązań.

Gdy izolowany atom z orbitaliami f otacza się innymi atomami, zaczynają się i rozwijają interakcje (utrata degeneracji):

Źródło: Gabriel Bolívar

Zauważ, że teraz żółte paski tworzą trzy zestawy: t _1g , t _2g i _1g i że nie są już zdegenerowane.

Zdegenerowane orbitale hybrydowe

Zaobserwowano, że orbitale mogą się rozwinąć i utracić zwyrodnienie. Jednak chociaż wyjaśnia to przejścia elektronowe, blednie w wyjaśnieniu, jak i dlaczego istnieją różne geometrie molekularne. Tutaj wkraczają orbitale hybrydowe.

Jakie są jego główne cechy? Że są zdegenerowani. W ten sposób powstają z mieszanki znaków orbitali s, p, d i f, tworząc zdegenerowane hybrydy.

Na przykład trzy orbitale p mieszają się z jednym s, dając cztery orbitale sp ³ . Wszystkie orbitale sp ³ są zdegenerowane i dlatego mają taką samą energię.

Jeśli dodatkowo zmieszamy dwa orbitale d z czterema orbitali sp ³ , otrzymamy sześć orbitali sp ³ d ² .

Jak wyjaśniają geometrie molekularne? Ponieważ jest ich sześć, o równych energiach, muszą one być zorientowane symetrycznie w przestrzeni, aby wytworzyć równe środowiska chemiczne (na przykład w związku MF ₆ ).

Kiedy tak się dzieje, powstaje ośmiościan koordynacyjny, który jest równy ośmiościennej geometrii wokół środka (M).

Jednak geometrie są często zniekształcone, co oznacza, że ​​nawet orbitale hybrydowe nie są tak naprawdę całkowicie zdegenerowane. Dlatego też, podsumowując, zdegenerowane orbitale istnieją tylko w izolowanych atomach lub w wysoce symetrycznych środowiskach.

Bibliografia

1. Słownik Chemicool. (2017). Definicja zdegenerowanego. Źródło: chemicool.com
2. SparkNotes LLC. (2018). Atomy i orbitale atomowe. Odzyskany z: sparknotes.com
3. Czysta chemia. (sf). Elektroniczna Konfiguracja. Odzyskany z: es-puraquimica.weebly.com
4. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning.
5. Moreno R. Esparza. (2009). Kurs chemii koordynacyjnej: Pola i orbitale. . Odzyskany z: depa.fquim.unam.mx
6. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.