Như đã lưu ý, lý thuyết hiện đại về liên kết hóa học dựa trên việc xem xét cơ học lượng tử một phân tử như một hệ thống các electron và hạt nhân nguyên tử.
Qua các khóa học về hóa học và vật lý vô cơ, người ta biết rằng electron là một loại vật chất vừa có tính chất của hạt vừa có tính chất sóng điện từ.
Theo lý thuyết lượng tử, trạng thái của các electron trong nguyên tử được mô tả bằng bốn số lượng tử. n số lượng tử chính, I - số lượng tử phương vị, t
quan vinh quang
con maspitpoe
số lượng tử và l
số lượng tử spin.
Một electron trong nguyên tử nằm trên một quỹ đạo nguyên tử cụ thể
tời. Quỹ đạo nguyên tử (AO) là vùng không gian trong đó có nhiều khả năng tìm thấy electron nhất.
Trạng thái của electron được xác định bởi khoảng cách từ đám mây electron đến hạt nhân, hình dạng, hướng của nó trong không gian và sự quay của electron quanh trục của chính nó.
Tùy thuộc vào khoảng cách của electron đến hạt nhân nguyên tử, quỹ đạo chuyển động của nó, tức là hình dạng của quỹ đạo nguyên tử, thay đổi (Hình 2.1). Có các quỹ đạo l, p, d, /-nguyên tử, khác nhau về mức dự trữ năng lượng của chúng, và do đó có hình dạng của đám mây điện tử, nghĩa là theo quỹ đạo của electron.
quỹ đạo β
/O-quỹ đạo
Ô<-орбиталь
±tôi^. 2.1. 1sim&1richs^jil shiumy y-, i- và i-y!imp^1l iui1^1&i
quỹ đạo nguyên tử loại ^ được đặc trưng bởi sự đối xứng hình cầu; đối với các electron loại p, có ba quỹ đạo hình quả tạ có năng lượng bằng nhau, khác nhau
2. Liên kết hóa học. Ảnh hưởng lẫn nhau của các nguyên tử trong hợp chất hữu cơ
chỉ cách nhau bằng sự định hướng trong không gian. рх, р_^, р^-dữ liệu
quỹ đạo. Trong mỗi chúng có một vùng nút của quỹ đạo p, trong đó xác suất tìm thấy electron bằng 0. Có năm hình dạng hình học phức tạp hơn cho quỹ đạo nguyên tử d.
Các electron của quỹ đạo 5 ở gần hạt nhân nguyên tử hơn và bị hút vào nó với lực lớn hơn so với các electron p ở xa hơn và có độ linh động cao hơn. Năng lượng electron giảm dần ở hàng tiếp theo.
// th > p > 5
Obitan nguyên tử không có electron chiếm giữ được gọi là a-cant và thường được ký hiệu là □.
іі^іогідгіолістгіл /iv7iVII ііііл ігошійи
Theo ý tưởng quaptova-melapic về danh nghĩa
Trong một liên kết nhất định, số lượng liên kết cộng hóa trị được hình thành bởi một nguyên tử được xác định bởi số lượng quỹ đạo nguyên tử electropyl đơn, nghĩa là số lượng điện cực pesparepyl. Tuy nhiên, trên thực tế, các nguyên tử của các nguyên tố tạo thành số lượng liên kết cộng hóa trị lớn hơn so với số lượng điện cực tương tự mà chúng chứa ở mức độ tức thời. Ví dụ, một nguyên tử carbon ở trạng thái không bị kích thích có hai điện cực (I5 25 2p) và tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị. Điều này có thể được giải thích bởi khả năng
chuyển một electron 25 sang phân lớp 2p (І5 25 2p).
Do đó, ở mức năng lượng trực tiếp của nguyên tử
Carbon được tiêu thụ bởi bốn điện cực pesparepyl: một - 5 và ba - r. Vì liên kết lymic được hình thành bởi các điện cực hóa trị, nên các liên kết, chẳng hạn như trong phân tử phân tử SI4, sẽ phải là chuỗi thứ nhất: một liên kết CH được hình thành bởi 5 electron và ba liên kết còn lại được hình thành bởi p. Trên thực tế, trong một phân tử biến chất, mọi mối liên kết đều hoàn toàn bằng nhau. Để giải thích thực tế này, khái niệm lai hóa các nguyên tử và quỹ đạo được đưa ra trong quaptus melapics. Từ hybridization có nghĩa là sự tương tác,
2p 2p 2p 2p 2p 2p
chồng chéo, trộn lẫn. Khi một đám mây 5 electron chồng lên đám mây ba electron /-electron, bốn đám mây điện tử lai hoặc quỹ đạo nguyên tử mới về chất lượng được hình thành:
Do đó, từ một số AO có hình dạng khác nhau và tương tự nhau về năng lượng, bằng cách kết hợp (trộn, kết hợp) cùng một số quỹ đạo nguyên tử lai có cùng hình dạng và có năng lượng bằng nhau sẽ được hình thành:
Các quỹ đạo lai có lợi thế hơn về mặt hình học so với các quỹ đạo không lai, vì chúng cho phép tăng diện tích chồng chéo với quỹ đạo của các nguyên tử khác, dẫn đến hình thành các liên kết mạnh hơn. Kết quả của sự chồng chéo một tỷ lệ lớn quỹ đạo lai với quỹ đạo của các nguyên tử khác là liên kết cộng hóa trị.
Một nguyên tử carbon có thể trải qua ba loại lai hóa liên quan đến quỹ đạo s và p, mỗi loại tương ứng với một trạng thái hóa trị cụ thể của nguyên tử.
Trạng thái hóa trị đầu tiên của cacbon là trạng thái lai hóa). Hình ảnh
sự hình thành liên kết a. Trạng thái lai bp là kết quả của sự tương tác giữa một obitan nguyên tử b và ba obitan nguyên tử p (Hình 2.2).
1v + 3r = 4v.
25 quỹ đạo 2р2-quỹ đạo 2рu-quỹ đạo 2р2-quỹ đạo
Cơm. 2.2. Sơ đồ hình thành và vị trí trong không gian của các obitan lai 5p3
bốn quỹ đạo lai ep
2. Liên kết hóa học. Ảnh hưởng lẫn nhau của các nguyên tử trong hợp chất hữu cơ 21
Bốn quỹ đạo tương đương tạo thành một góc 109° 28" giữa chúng và được định hướng trong không gian từ tâm của một tứ diện đều đến các đỉnh của nó. Vị trí này gắn liền với mong muốn của AO là di chuyển càng xa nhau càng tốt do lực đẩy tĩnh điện lẫn nhau. Vị trí của các quỹ đạo nguyên tử quyết định tên của trạng thái lai hóa 5p3 giống như tứ diện.
Tỷ lệ của đám mây s trong mỗi quỹ đạo trong số bốn quỹ đạo lai sp3 bằng 7. Do sự chồng chéo của các quỹ đạo đó với các quỹ đạo khác,
các bit (s, p, d và lai sp, sp, sp) dọc theo đường nối tâm nguyên tử chỉ tạo thành liên kết cộng hóa trị đơn giản, hay liên kết st (tiếng Hy Lạp “sigma”). Sự chồng lấp của các quỹ đạo nguyên tử dọc theo đường nối tâm của các nguyên tử được gọi là chồng chéo st-p, hay chồng chéo trục, vì mật độ electron cực đại nằm trên trục nối hai hạt nhân (Hình 2.3).
o-chồng chéo
Cơm. 2.3. Sự hình thành liên kết a trong phân tử ethane
Trạng thái lai hóa 5p3 là đặc trưng của ankan. Chúng ta hãy xem xét sự hình thành liên kết s bằng ethane làm ví dụ.
Trong phân tử ethane, do sự chồng chéo s-sp dọc trục, sáu liên kết SPN được hình thành và do sự chồng chéo của các quỹ đạo sp-sp, một liên kết SP C được hình thành.
Liên kết st trong nhiều hợp chất hữu cơ được hình thành chủ yếu do sự chồng chéo của các quỹ đạo lai.
Trạng thái hóa trị thứ hai của carbon (lai sp). Sự hình thành liên kết n. Trạng thái lai hóa sp2 là kết quả tương tác của một obitan s và hai obitan p (Hình 2.4).
Ba quỹ đạo lai sp tương đương được hình thành nằm trong cùng một mặt phẳng ở góc 120°, do đó phép lai sp được gọi là lượng giác. quỹ đạo p^-không lai
23-quỹ đạo 2px-quỹ đạo 2/3^-quỹ đạo
ba quỹ đạo lai sp và một quỹ đạo lai p2
ba quỹ đạo lai điện tử
±tôi^. 2.4. ^1rắc y!imy carbon
trong phép lai ^p2
sắp xếp các quỹ đạo lai. Tỷ lệ đám mây ir trong mỗi trong số ba irbital lai ar2 bằng 1/y. Sự lai hóa như vậy là điển hình cho các hợp chất có liên kết đôi, ví dụ, ethylene (Hình 2.5).
cacbon ar-AO
o-chồng chéo (o-liên kết)
Sự hình thành liên kết n trong phân tử ethylene
Các nguyên tử carbon trong phân tử ethylene ở trạng thái lai sáng. Do sự chồng chéo của ba AO lai của mỗi chất kích thích, các liên kết st được hình thành (bốn C-H và một C-C); và sự chồng lấp của hai quỹ đạo p không điều hòa trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng của liên kết st (p-chồng chéo) dẫn đến sự hình thành liên kết p. Mật độ electron tối đa của nó tập trung ở hai khu vực - trên và dưới trục nối tâm của các nguyên tử. p-Kết nối kém mạnh hơn st; nó chỉ được hình thành giữa các nguyên tử ở trạng thái lai hóa π2 hoặc π.
2. Liên kết hóa học. Ảnh hưởng lẫn nhau của các nguyên tử trong hợp chất hữu cơ 2
L;/-1IirIDI^yTSISH được gọi là SShchS JIUNeUnUU HU1UMJ, không phải hai
quỹ đạo lai sp nằm ở góc 180°. Hai quỹ đạo p^- và p^-không lai còn lại nằm trên hai mặt phẳng vuông góc với nhau và nằm vuông góc với AO lai sp. Tỷ lệ đám mây s trong mỗi quỹ đạo lai sp là 1/2. Kiểu lai này là điển hình cho các hợp chất có liên kết ba, ví dụ như axetylen (Hình 2.7).
Trong phân tử axetylen, các nguyên tử lai sp tạo thành hai liên kết C-H đơn giản và một liên kết st giữa hai nguyên tử carbon và các p-AO không lai tạo thành hai liên kết p nằm trong các mặt phẳng vuông góc với nhau.
Để mô tả các liên kết hóa học theo quan điểm của cơ học lượng tử, hai phương pháp chính được sử dụng: phương pháp liên kết hóa trị (VBC) và phương pháp quỹ đạo phân tử (MO).
Phương pháp liên kết hóa trị được đề xuất vào năm 1927 bởi W. Heitler và F. London. Các quy định chính của phương pháp như sau. Liên kết hóa học được biểu diễn dưới dạng một cặp electron có spin ngược nhau. Nó được hình thành do sự chồng chéo các quỹ đạo nguyên tử.
l-chồng chéo (i-kết nối)
a-chồng chéo (a-trái phiếu)
sự hình thành liên kết l trong phân tử axetylen
tại iirj^isap^1^1 milsAulsh nguyên tử iijul i^1iyu1SL ii^
thay đổi và một cặp electron liên kết được định vị giữa hai nguyên tử.
Không giống như phương pháp liên kết hóa trị, phương pháp quỹ đạo phân tử coi phân tử không phải là tập hợp các nguyên tử vẫn giữ được tính chất riêng lẻ mà là một tổng thể duy nhất. Người ta cho rằng mỗi electron trong phân tử chuyển động trong trường tổng được tạo ra bởi các electron còn lại và tất cả hạt nhân nguyên tử. Nói cách khác, trong một phân tử, các AO khác nhau tương tác với nhau để tạo thành một loại orithals mới, gọi là orithals phân tử.
Sự chồng chéo của hai orithal nguyên tử dẫn đến sự hình thành hai orithal phân tử (Hình 2.8).
□"-nới lỏng MO
AO------AO^)-
MO liên kết α
st*-nới lỏng MO
MO liên kết α
Một trong số chúng có năng lượng thấp hơn AO ban đầu,
ігі поошоасил ьошоўшси и ^^ншілнш, диуіал іладиасі илълг>х>і-
2. Liên kết hóa học. Ảnh hưởng lẫn nhau của các nguyên tử trong hợp chất hữu cơ 2:
SHiI LPS^IISI, ChSM tạo thành nó LL^ và IilmVySISI phân tán-
súp bắp cải, hoặc quỹ đạo chống liên kết. Việc lấp đầy các quỹ đạo phân tử bằng electron xảy ra tương tự như việc lấp đầy các quỹ đạo nguyên tử, nghĩa là theo nguyên lý Pauli và tuân theo quy tắc Hund. Orbital phản liên kết phân tử vẫn còn trống ở trạng thái cơ bản. Sự lấp đầy các electron của nó xảy ra khi phân tử bị kích thích, dẫn đến sự lỏng lẻo liên kết và sự phân rã phân tử thành các nguyên tử.
Sau khi hoàn thành mô tả chính thức về chuyển động cơ học lượng tử, người ta thấy rõ rằng trong không gian nguyên tử, mọi vật thể đều có đặc điểm như quỹ đạo nguyên tử.
Quỹ đạo nguyên tử(AO) - một vùng không gian xung quanh hạt nhân của nguyên tử, trong đó, theo định luật cơ học lượng tử, rất có thể sẽ có một electron có năng lượng nhất định.
Trạng thái năng lượng của một electron được mô tả bởi hàm ba số nguyên thông số p ) I, t 1Uđược gọi là Số lượng tử.Ở các giá trị nhất định của số lượng tử, có thể thu được các đặc điểm của vùng nơi có thể định vị electron.
Số lượng tử có các số sau ý nghĩa vật lý:
- n - số lượng tử chính, đặc trưng cho mức năng lượng và kích thước của quỹ đạo;
- / - số lượng tử quỹ đạo, đặc trưng cho mức năng lượng và hình dạng của quỹ đạo;
- t ( - số lượng tử từ, có tính đến ảnh hưởng của từ trường bên ngoài đến trạng thái năng lượng của electron.
Số lượng tử chính n là tự nhiên và tương ứng với các số chu kỳ trong bảng D.I. Mendeleev (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). Số lượng tử chính xác định phần lớn năng lượng của electron nằm trong một quỹ đạo nhất định. Số lượng tử này còn được gọi là số mức năng lượng. Nhiều hơn P, kích thước quỹ đạo càng lớn.
Các nguyên tử trong đó các electron ở quỹ đạo có giá trị cao p(p> 8), được gọi là nguyên tử Rydberg. Dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về nguyên tử Rydberg trong thiên văn vô tuyến được các nhân viên FIAP (R.S. Sorochenko và những người khác) thu được vào năm 1964 trên kính viễn vọng vô tuyến phản xạ 22 mét. Khi kính thiên văn hướng về phía Tinh vân Omega, một vạch phát xạ có bước sóng X = Bước sóng này tương ứng với sự chuyển tiếp giữa các trạng thái Rydberg. n = 90 và n = 91 trong quang phổ của nguyên tử hydro. Hôm nay trong phòng thí nghiệm chúng tôi đã thu được nguyên tử Rydberg với P~600! Đây là những vật thể gần như vĩ mô với kích thước khoảng 0,1 mm và tuổi thọ ~ 1 giây. Nghiên cứu về trạng thái nguyên tử Rydberg đã được chứng minh là hữu ích trong nghiên cứu chế tạo máy tính lượng tử.
Tuy nhiên, việc tăng kích thước không làm thay đổi hình dạng của quỹ đạo. Nhiều hơn p y năng lượng của electron càng lớn. Các electron có cùng số lượng tử chính thì có cùng mức năng lượng. Con số P mức năng lượng cho biết số lượng cấp độ phụ tạo nên một cấp độ nhất định.
Số lượng tử quỹ đạo I có thể lấy các giá trị / = 0, 1,2,... lên đến (P - 1), tức là đối với một số lượng tử chính nhất định P số lượng tử quỹ đạo / có thể lấy P các giá trị. Số lượng tử quỹ đạo xác định hình dạng hình học của quỹ đạo và xác định động lượng góc quỹ đạo (động lượng) của electron, tức là. sự đóng góp của lớp con này vào tổng năng lượng của electron. Ngoài các giá trị số, số lượng tử quỹ đạo / còn có ký hiệu bằng chữ cái:
Mẫu 5-, p-, (1-,/-quỹ đạo được thể hiện trong hình. 1.1. Các dấu hiệu đặt trên các phần tử hình học của quỹ đạo không phải là dấu hiệu của điện tích mà đề cập đến các giá trị của hàm sóng y đối với các phần tử này. Vì khi tính xác suất | n/| 2 là bình phương của giá trị tuyệt đối thì diện tích các quỹ đạo của hàm sóng y với dấu “+” và “-” trở nên tương đương.
Cơm. 1.1.
Hình dạng phức tạp của hầu hết các quỹ đạo là do hàm sóng điện tử trong tọa độ cực có hai thành phần - hướng tâm và góc. Trong trường hợp này, xác suất tìm thấy một electron tại một điểm nhất định phụ thuộc cả vào khoảng cách của nó đến hạt nhân và hướng trong không gian của vectơ nối hạt nhân với điểm này. Các hàm này phụ thuộc cả vào / (đối với quỹ đạo 5 và p) và vào T 1 (đối với c1- và /-quỹ đạo).
Ví dụ: đường viền (đường viền bên ngoài) của tất cả 5 quỹ đạo là hình cầu. Nhưng hóa ra xác suất tìm thấy một electron bên trong quả cầu này không đồng nhất mà phụ thuộc trực tiếp vào khoảng cách của quỹ đạo này với hạt nhân. Trong bộ lễ phục. Hình 1.2 cho thấy cấu trúc bên trong của quỹ đạo 15 và 25. Như trong hình vẽ, quỹ đạo 25 tương tự như một “củ hành hai lớp” với lớp vỏ bên trong nằm ở khoảng cách 1 và 4 bán kính của quỹ đạo Bohr. Theo quy luật, trong hóa học, tính phức tạp của cấu trúc bên trong của quỹ đạo không đóng một vai trò quan trọng nào và không được xem xét trong khóa học này.
Cơm. 1.2. Phân bố xác suất phát hiện một electron trong nguyên tử hydro ở các trạng tháilàVà2 giây. G (= 5,29*10 11 m - bán kính quỹ đạo Bohr thứ nhất
Nguồn: wvw.college.ru/enportal/physicals/content/chapter9/section/paragraph3/theory.html
Số lượng tử từ quỹ đạo m t có thể lấy các giá trị từ -/ đến +/, kể cả 0. Số lượng tử này xác định hướng của quỹ đạo trong không gian khi tiếp xúc với từ trường bên ngoài Và đặc trưng cho sự thay đổi năng lượng của một electron nằm trong quỹ đạo này dưới tác dụng của từ trường bên ngoài. Số quỹ đạo có giá trị nhất định t 1 là (2/ + 1).
Ba số lượng tử được xem xét P, /, T ( là hệ quả của việc giải phương trình sóng Schrödinger và giúp xác định năng lượng của electron thông qua mô tả tính chất sóng của nó. Đồng thời, bản chất kép về bản chất của các hạt cơ bản và nhị nguyên sóng-hạt của chúng trong việc mô tả trạng thái năng lượng của electron không được tính đến.
Số lượng tử từ nội tại của electron ms (spin). Làm sao hệ quả của các tính chất hạt của electron, một số khác đóng vai trò mô tả trạng thái năng lượng của nó - số lượng tử nội tại m s của electron (spin). Số lượng tử này không đặc trưng cho quỹ đạo mà là đặc tính của chính electron nằm trong quỹ đạo này.
Quay (từ tiếng Anh, quay- xoay [-xia], quay) là xung lượng góc nội tại của các hạt cơ bản, có bản chất lượng tử và không liên quan đến chuyển động của toàn bộ hạt. Phép loại suy thường được sử dụng để mô tả spin là một tính chất liên quan đến chuyển động quay của một electron quanh trục của nó hóa ra là không thể chấp nhận được. Mô tả này dẫn đến mâu thuẫn với thuyết tương đối hẹp - tốc độ quay của electron ở xích đạo trong mô hình này vượt quá tốc độ ánh sáng. Sự ra đời của spin là một ứng dụng thành công của một ý tưởng vật lý mới: người ta cho rằng tồn tại một không gian gồm các trạng thái không hề liên quan đến chuyển động của một hạt trong không gian thông thường. Sự cần thiết phải đưa ra một không gian trạng thái như vậy cho thấy sự cần thiết phải xem xét một câu hỏi tổng quát hơn về thực tế của đa thế giới vật chất.
Electron thể hiện nó từ tính riêng tính chất là trong điện trường ngoài, xung lượng góc của riêng electron có hướng dọc theo điện trường hoặc ngược với 0. Trong trường hợp đầu tiên, người ta giả sử rằng số lượng tử của electron bệnh đa xơ cứng= +1/2, và trong giây bệnh đa xơ cứng= -1/2. Lưu ý rằng quay - số phân số đơn giữa một tập hợp các đặc tính lượng tử xác định trạng thái của electron trong nguyên tử.
Do khi mô tả các phần tử, chúng được chia thành các nhóm có quỹ đạo khác nhau nên chúng ta hãy nhớ lại bản chất của khái niệm này một cách ngắn gọn.
Theo mô hình nguyên tử của Bohr, các electron quay quanh hạt nhân theo quỹ đạo tròn (vỏ). Mỗi lớp vỏ có một mức năng lượng được xác định chặt chẽ và được đặc trưng bởi một số lượng tử nhất định. Trong tự nhiên, chỉ có một số năng lượng điện tử nhất định mới có thể tồn tại, tức là các năng lượng quỹ đạo rời rạc (lượng tử hóa) (“được phép”). Lý thuyết của Bohr gán các lớp vỏ electron K, L, M, N và xa hơn nữa theo thứ tự của bảng chữ cái Latinh, phù hợp với mức năng lượng ngày càng tăng của các lớp, số lượng tử chính n, bằng 1, 2, 3, 4, v.v. Sau đó, hóa ra các lớp vỏ electron được chia thành các lớp con và mỗi lớp được đặc trưng bởi một mức năng lượng lượng tử nhất định, được đặc trưng bởi số lượng tử quỹ đạo l.
Dựa theo nguyên lý bất định Heisenberg, không thể xác định chính xác vị trí của electron ở bất kỳ thời điểm nào. Tuy nhiên, bạn có thể chỉ ra khả năng điều này xảy ra. Vùng không gian trong đó xác suất tìm thấy electron cao nhất được gọi là quỹ đạo. Các electron có thể chiếm 4 quỹ đạo thuộc các loại khác nhau, được gọi là quỹ đạo s- (sắc nét), p- (chính), d- (khuếch tán) và f- (cơ bản). Trước đây, những chữ cái này biểu thị các vạch quang phổ của hydro, nhưng hiện tại chúng chỉ được sử dụng làm ký hiệu mà không giải mã được.
Các quỹ đạo có thể được biểu diễn dưới dạng bề mặt ba chiều. Thông thường, các vùng không gian giới hạn bởi các bề mặt này được chọn sao cho xác suất phát hiện electron bên trong chúng là 95%. Một sơ đồ biểu diễn các quỹ đạo được thể hiện trong hình. 1.
Cơm. 1.
Obitan s có hình cầu, obbital p có hình quả tạ, obbital d có hình hai quả tạ giao nhau trên hai mặt phẳng vuông góc với nhau, lớp con s gồm có một obitan s, p-subshell có 3 p-orbital, d-subshell - có 5 d-orbital.
Nếu không đặt từ trường vào thì tất cả các quỹ đạo của một lớp vỏ con sẽ có cùng năng lượng; trong trường hợp này chúng được gọi là thoái hóa. Tuy nhiên, trong từ trường bên ngoài, các lớp vỏ con bị tách ra (hiệu ứng Zeeman). Hiệu ứng này có thể xảy ra với tất cả các quỹ đạo ngoại trừ quỹ đạo s. Nó được đặc trưng số lượng tử từ t. Hiệu ứng Zeeman được sử dụng trong máy quang phổ hấp thụ nguyên tử hiện đại (AASP) để tăng độ nhạy và giảm giới hạn phát hiện trong phân tích nguyên tố.
Đối với sinh học và y học, điều quan trọng là các quỹ đạo có cùng tính đối xứng, nghĩa là có cùng số l và m, nhưng có giá trị khác nhau của số lượng tử chính (ví dụ: quỹ đạo 1s, 2s, 3s, 4s), khác nhau về kích thước tương đối của chúng. Thể tích không gian bên trong của quỹ đạo electron lớn hơn đối với các nguyên tử có giá trị n lớn. Sự gia tăng thể tích của quỹ đạo đi kèm với sự lỏng lẻo của nó. Trong quá trình hình thành phức tạp, kích thước của nguyên tử đóng vai trò quan trọng vì nó quyết định cấu trúc của các hợp chất phối trí. Trong bảng Hình 1 cho thấy mối quan hệ giữa số lượng electron và số lượng tử chính.
Bảng 1. Số lượng electron ở các giá trị khác nhau của số lượng tử n
Ngoài ba số lượng tử được đặt tên, đặc trưng cho tính chất của các electron của mỗi nguyên tử, còn có một số nữa - số lượng tử quay S , không chỉ đặc trưng cho các electron mà còn cả hạt nhân nguyên tử.
Hữu cơ sinh học y tế. G.K. Barashkov
Hệ thống. Trong trường hợp này, quỹ đạo được xác định bởi mức Schrödinger một electron với Hamiltonian một electron hiệu dụng; năng lượng quỹ đạo, như một quy luật, tương quan với (xem). Tùy thuộc vào hệ thống xác định quỹ đạo, quỹ đạo nguyên tử, phân tử và tinh thể được phân biệt.
Các quỹ đạo nguyên tử (AO) được đặc trưng bởi ba số lượng tử: n chính, quỹ đạo / và n từ tính. Giá trị l = 0, 1, 2,... xác định bình phương động lượng quỹ đạo (góc) (hằng số -Planck), giá trị m = l,l - 1,..., +1, 0, - 1 ,..., - l + 1, - l-hình chiếu của mômen lên một trục z đã chọn nhất định; n đánh số năng lượng quỹ đạo. Các trạng thái có / cho trước được đánh số bằng các số n = l + 1, l + 2,... Có dạng hình cầu. hệ tọa độ tập trung vào lõi của AO có dạng 
, ở đâu và-góc cực, khoảng cách r từ hạt nhân. R nl (r) được gọi là phần xuyên tâm của công ty cổ phần (hàm xuyên tâm), và Y lm(q,j)-spherical. hài hòa. Khi quay hệ tọa độ, hình cầu hài được thay thế bằng tổ hợp tuyến tính của các hài có cùng giá trị l; phần xuyên tâm của AO không thay đổi trong các vòng quay và năng lượng tương ứng với AO này là mức độ suy biến là (21 + 1). Thông thường - chỉ số của hàm mũ quỹ đạo và Ppl - đa thức bậc (n - l - 1). Trong ký hiệu viết tắt, AO được mô tả bằng ký hiệu nl m, còn n được ký hiệu bằng các số 1, 2, 3,..., các giá trị l = 0, 1, 2, 3, 4,... tương ứng đến các chữ cái s, p, d, f, g,...; m được chỉ định ở dưới cùng bên phải, ví dụ: 2p +1 , 3d -2 .
AO chứa cấu trúc hình cầu không phức tạp sẽ thuận tiện hơn. sóng hài và sự kết hợp tuyến tính của chúng có . ý nghĩa. Những công ty cổ phần như vậy được gọi là khối (tesseral). Chúng có dạng , trong đó (x, y, z) là đa thức đồng nhất (hàm góc) bậc l so với tọa độ Descartes x, y, z có tâm là hạt nhân (hướng của các trục là tùy ý); Ví dụ: AO được chỉ định bằng các ký hiệu.
Nếu đa thức P nl (r) được xác định bằng nghiệm của phương trình Schrödinger cho hạt nhân trong trường Coulomb thì AO được gọi là. giống hydro. Naib. khối giống hydro thông thường. AO được cho trong bảng.
QUỸ ĐẠO GIỐNG HYDRO s. p, d, f-LOẠI
Trong hóa học. Các ứng dụng thường hiển thị các đường viền AO, có thể được xây dựng khác nhau. Naib. cái gọi là chung bề mặt pha, trên đó các giá trị khối được mô tả. sóng hài (hoặc hình cầu): ở các góc cực cho trước, mô đun của phần góc của AO bằng khoảng cách đến gốc tọa độ. Trong bộ lễ phục. 1 cho thấy các bề mặt khác, trực quan hơn, với cơ bụng. các giá trị của một số AO nhất định có giá trị không đổi. Cả hai phương pháp mô tả AO trên thực tế đều giống nhau chỉ ở gần gốc tọa độ. Trong mọi trường hợp, dấu + và - (hoặc tô bóng) cho biết AO có ký hiệu nào trong một khu vực nhất định. Giống như tất cả các hàm sóng, AO có thể được nhân với -1, điều này sẽ dẫn đến một sự thay đổiký hiệu chức năng, nhưng bản thân các ký hiệu AO không có ý nghĩa,và sự xen kẽ các dấu hiệu của hệ thống AO khi mô tả nốt ruồi. quỹ đạo. Đồ họa hình ảnh của AO không phải lúc nào cũng có ý nghĩa. Vì vậy, các hình vuông của mô đun có dạng hình cầu. sóng hài không phụ thuộc vào góc, do đó, ảnh của AO 2p x và 2p y chẳng hạn sẽ khác hoàn toàn với ảnh của AO 2p + và 2p -, mặc dù cả hai AO đều hoàn toàn tương đương nhau.
Quỹ đạo phân tử(MO) được mô tả trong trường của tất cả các hạt nhân và trường trung bình của các hạt nhân còn lại. Thông thường, MO không có chất phân tích đơn giản. các biểu diễn và được sử dụng cho chúng (xem). Trong các phương pháp họ nói. quỹ đạo, hàm sóng đa electron được xây dựng dưới dạng tích hoặc định thức bao gồm các quỹ đạo quay, tức là quỹ đạo nhân với hàm spin hoặc (xem).
trong đó 0 = 0,372, b = 0,602, là quỹ đạo nguyên tử 2p z C i (i = 1, 2, 3, 4). Quỹ đạo 1 có một mặt phẳng nút (xy), quỹ đạo 2 có mặt phẳng bổ sung. mặt phẳng nút vuông góc với mặt phẳng này và đi qua giữa
tôi Số lượng tử.Hàm sóng được tính bằng phương trình sóng Schrödinger trong khuôn khổ phép tính gần đúng một electron (phương pháp Hartree-Fock) là hàm sóng của một electron nằm trong trường tự đồng nhất được tạo ra bởi hạt nhân nguyên tử với tất cả các electron khác của hạt nhân nguyên tử. nguyên tử.
Bản thân E. Schrödinger coi electron trong nguyên tử là một đám mây tích điện âm, mật độ của nó tỷ lệ với bình phương giá trị của hàm sóng tại điểm tương ứng của nguyên tử. Ở dạng này, khái niệm đám mây điện tử cũng được chấp nhận trong hóa học lý thuyết.
Tuy nhiên, hầu hết các nhà vật lý không chia sẻ niềm tin của E. Schrödinger - không có bằng chứng nào về sự tồn tại của electron như một “đám mây tích điện âm”. Max Born đã chứng minh cách giải thích xác suất của bình phương hàm sóng. Năm 1950, E. Schrödinger, trong bài viết “Hạt cơ bản là gì?” Tôi buộc phải đồng ý với lập luận của M. Born, người được trao giải Nobel Vật lý năm 1954 với câu nói “Dành cho nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực cơ học lượng tử, đặc biệt là giải thích thống kê về hàm sóng”.
Số lượng tử và danh pháp quỹ đạo
Phân bố mật độ xác suất xuyên tâm cho các quỹ đạo nguyên tử ở các mức khác nhau N Và tôi.
- Số lượng tử chính N có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên dương nào, bắt đầu từ một ( N= 1,2,3, … ∞) và xác định tổng năng lượng của electron trong một quỹ đạo nhất định (mức năng lượng):
- Số lượng tử quỹ đạo (còn gọi là số lượng tử phương vị hoặc bổ sung) xác định động lượng góc của electron và có thể lấy các giá trị nguyên từ 0 đến N - 1 (tôi = 0,1, …, N- 1). Động lượng góc được cho bởi mối quan hệ
Các ký hiệu chữ cái cho quỹ đạo nguyên tử xuất phát từ mô tả các vạch quang phổ trong quang phổ nguyên tử: S (sắc) - một dãy sắc nét trong quang phổ nguyên tử, P (hiệu trưởng)- trang chủ, d (khuếch tán) - khuếch tán, f (cơ bản) - cơ bản.
- Số lượng tử từ tôi xác định hình chiếu của mômen động lượng quỹ đạo lên hướng của từ trường và có thể lấy các giá trị nguyên trong khoảng từ - tôi trước tôi, bao gồm 0 ( tôi = -tôi … 0 … tôi):
Trong tài liệu, các quỹ đạo được biểu thị bằng sự kết hợp của các số lượng tử, với số lượng tử chính được biểu thị bằng một số, số lượng tử quỹ đạo bằng chữ cái tương ứng (xem bảng bên dưới) và số lượng tử từ tính bằng biểu thức chỉ số dưới cho thấy hình chiếu của quỹ đạo lên các trục Descartes x, y, z, Ví dụ 2p x, 3d xy, 4f z(x²-y²). Đối với các quỹ đạo của lớp vỏ electron bên ngoài, nghĩa là trong trường hợp mô tả các electron hóa trị, số lượng tử chính trong ký hiệu quỹ đạo thường bị bỏ qua.
Biểu diễn hình học
Biểu diễn hình học của quỹ đạo nguyên tử là một vùng không gian được giới hạn bởi một bề mặt có mật độ bằng nhau (bề mặt mật độ bằng nhau) của xác suất hoặc điện tích. Mật độ xác suất trên bề mặt biên được chọn dựa trên vấn đề đang được giải quyết, nhưng thông thường, theo cách mà xác suất tìm thấy electron trong một khu vực giới hạn nằm trong phạm vi giá trị 0,9-0,99.
Vì năng lượng của electron được xác định bởi tương tác Coulomb và do đó, khoảng cách từ hạt nhân nên số lượng tử chính N thiết lập kích thước của quỹ đạo.
Hình dạng và tính đối xứng của quỹ đạo được xác định bởi số lượng tử quỹ đạo tôi Và tôi: S- Các quỹ đạo có dạng đối xứng hình cầu, P, d Và f-orbitals có hình dạng phức tạp hơn, được xác định bởi các phần góc của hàm sóng - hàm góc. Hàm góc Y lm (φ, θ) - hàm riêng của toán tử động lượng góc bình phương L², phụ thuộc vào số lượng tử tôi Và tôi(xem Hàm cầu), rất phức tạp và mô tả theo tọa độ cầu (φ, θ) sự phụ thuộc góc của xác suất tìm thấy một electron trong trường trung tâm của nguyên tử. Sự kết hợp tuyến tính của các hàm này xác định vị trí của các quỹ đạo so với trục tọa độ Descartes.
Đối với các tổ hợp tuyến tính Y lm các ký hiệu sau được chấp nhận:
| Giá trị số lượng tử quỹ đạo | 0 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Giá trị số lượng tử từ | 0 | 0 | 0 | ||||||
| Kết hợp tuyến tính | |||||||||
| chỉ định |
Một yếu tố bổ sung đôi khi được tính đến trong biểu diễn hình học là dấu của hàm sóng (pha). Yếu tố này rất có ý nghĩa đối với các quỹ đạo có số lượng tử quỹ đạo tôi, khác 0, nghĩa là không có tính đối xứng cầu: dấu của hàm sóng của các “cánh hoa” của chúng nằm ở hai phía đối diện của mặt phẳng nút là ngược nhau. Dấu của hàm sóng được xét đến trong phương pháp quỹ đạo phân tử MO LCAO (quỹ đạo phân tử là sự kết hợp tuyến tính của các quỹ đạo nguyên tử). Ngày nay, khoa học đã biết các phương trình toán học mô tả các hình hình học biểu diễn các quỹ đạo (tùy thuộc vào tọa độ của electron theo thời gian). Đây là các phương trình dao động điều hòa phản ánh chuyển động quay của các hạt theo mọi bậc tự do sẵn có - chuyển động quay quỹ đạo, spin,... Sự lai hóa của các quỹ đạo được biểu diễn dưới dạng giao thoa của các dao động.
Làm đầy các quỹ đạo bằng electron và cấu hình điện tử của nguyên tử
Mỗi quỹ đạo có thể chứa không quá hai electron, khác nhau về giá trị số lượng tử spin S(mặt sau). Sự cấm đoán này được xác định theo nguyên tắc Pauli. Thứ tự lấp đầy các quỹ đạo cùng cấp bằng electron (các quỹ đạo có cùng giá trị số lượng tử chính N) được xác định theo quy tắc Klechkovsky, thứ tự các electron lấp đầy các quỹ đạo trong một cấp con (các quỹ đạo có cùng giá trị của số lượng tử chính N và số lượng tử quỹ đạo tôi) được xác định theo quy tắc Hund.
Bản ghi ngắn gọn về sự phân bố của các electron trong nguyên tử trên các lớp vỏ electron khác nhau của nguyên tử, có tính đến số lượng tử chính và số quỹ đạo của chúng N Và tôi gọi điện