Co to są zdegenerowane orbitale?

The zdegenerowane orbitale wszyscy są na tym samym poziomie energii. Zgodnie z tą definicją muszą mieć tę samą główną liczbę kwantową n. Zatem orbity 2s i 2p są zdegenerowane, ponieważ należą do poziomu energii 2. Jednak wiadomo, że ich funkcje fal kątowych i promieniowych są różne.

Jak wartości n, elektrony zaczynają zajmować inne pod-poziomy energii, takie jak orbitale d i f. Każdy z tych orbitali ma swoje własne cechy, które na pierwszy rzut oka są obserwowane w ich kanciastych formach; są to figury sferyczne, hantle (p), koniczyny (d) i kuliste (f).

Wśród nich jest różnica energii, nawet należąca do tego samego poziomu n.

Na przykład górny obraz pokazuje schemat energetyczny z orbitali zajmowanymi przez niesparowane elektrony (przypadek nienormalny). Widać, że spośród wszystkich najbardziej stabilnych (najniższa energia) jest orbital ns (1s, 2s, ...), podczas gdy nf jest najbardziej niestabilny (najwyższa energia).

Indeks

• 1 Zdegenerowane orbitale izolowanego atomu
  • 1.1 Orbitale p
  • 1.2 Orbitale
  • 1.3 Orbitale
• 2 zdegenerowane orbitale hybrydowe
• 3 referencje

Zdegenerowane orbitale izolowanego atomu

Zdegenerowane orbitale o tej samej wartości n, są w tej samej linii w schemacie energetycznym. Z tego powodu trzy czerwone paski symbolizujące orbitale p znajdują się w tej samej linii; tak jak fioletowe i żółte paski.

Schemat obrazu narusza zasadę Hunda: orbitale o wyższej energii są wypełnione elektronami bez uprzedniego sparowania ich z orbitalami o niższej energii. Gdy elektrony łączą się w pary, orbital traci energię i wywiera większe odpychanie elektrostatyczne na niesparowanych elektronach innych orbitali.

Takie efekty nie są jednak uwzględniane na wielu diagramach energetycznych. Jeśli tak, a przestrzeganie reguły Hunda bez całkowitego wypełnienia orbitali d, to widać, że przestają być zdegenerowane.

Jak stwierdzono powyżej, każdy orbital ma swoje własne cechy. Izolowany atom, ze swoją elektroniczną konfiguracją, ma swoje elektrony ułożone w dokładną liczbę orbitali, które pozwalają na ich umieszczenie. Tylko tych, którzy są równi w energii, można uznać za zdegenerowanych.

Orbitale p

Trzy czerwone paski dla zdegenerowanych orbitali p na obrazie wskazują, że oba_x, str_i i p_z Mają tę samą energię. W każdym z nich występuje niesparowany elektron, opisany czterema liczbami kwantowymi (n, l, ml i ms), podczas gdy trzy pierwsze opisują orbitale.

Jedyną różnicą między nimi jest moment magnetyczny ml, który rysuje trajektorię p_x na osi x, str_i na osi yi p_z na osi Z. Wszystkie trzy są równe, ale różnią się jedynie orientacjami przestrzennymi. Z tego powodu są one zawsze wyrównywane w energii, to znaczy, zdegenerowane.

Ponieważ są takie same, atom wyizolowany z azotu (z konfiguracją 1s)²2s²2p³) musi utrzymywać zdegenerowane trzy orbitale p. Jednak scenariusz energii zmienia się nagle, jeśli weźmiemy pod uwagę atom N w cząsteczce lub związku chemicznym.

Dlaczego? Bo chociaż p_x, str_i i p_z są równe pod względem energii, może się różnić w każdym z nich, jeśli mają różne środowiska chemiczne; to znaczy, jeśli są połączone z różnymi atomami.

Orbitale

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

Dlatego ich elektrony przemieszczają się w przestrzeni kosmicznej, które różnią się od jednego d orbitalnego do drugiego. To powoduje, zgodnie z krystaliczna teoria pola, że minimalne zakłócenie powoduje podział energii orbitali; to znaczy pięć fioletowych pasków jest rozdzielonych, pozostawiając między nimi lukę energetyczną:

Jakie są powyższe orbitale, a które poniżej? Te na górze są symbolizowane jako e_g, i te poniżej t_2g. Zauważ, że początkowo wszystkie fioletowe paski były wyrównane, a teraz utworzono zestaw dwóch orbitali e_g więcej energii niż drugi zestaw trzech orbitali t_2g.

Teoria ta pozwala nam wyjaśnić przejścia d-d, do których przypisuje się wiele kolorów obserwowanych w związkach metali przejściowych (Cr, Mn, Fe itp.). I dlaczego to elektroniczne zakłócenie? Do koordynacyjnych interakcji metalicznego centrum z innymi cząsteczkami zwanymi ligandy.

Orbitale

A dzięki orbitale f, czują żółte paski, sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowana. Ich kierunki przestrzenne różnią się znacznie między sobą, a wizualizacja ich powiązań staje się zbyt skomplikowana.

W rzeczywistości orbitale f są uważane za tak wewnętrzne, że nie „w znaczący sposób uczestniczą” w tworzeniu wiązań.

Gdy izolowany atom z orbitali f jest otoczony przez inne atomy, rozpoczynają się interakcje i następuje rozwinięcie (utrata degeneracji):

Zauważ, że teraz żółte paski tworzą trzy zestawy: t_1g, t_2g i a_1g, i nie są już zdegenerowane.

Zdegenerowane orbitale hybrydowe

Widać, że orbitale mogą się rozwijać i tracić degenerację. Jednakże, chociaż wyjaśnia to przejścia elektroniczne, blednie w wyjaśnieniu, jak i dlaczego istnieją różne geometrie molekularne. Tu wchodzą orbitale hybrydowe.

Jakie są jego główne cechy? Że są zdegenerowani. W związku z tym powstają z mieszanki znaków orbitali s, p, d oraz f, aby zapoczątkować zdegenerowane hybrydy.

Na przykład trzy orbitale p są mieszane z jednym s, aby dać cztery orbitale sp³. Wszystkie sp orbitale³ są zdegenerowane i dlatego mają tę samą energię.

Jeśli dodatkowo dwa orbitale d są zmieszane z czterema sp³, dostaniesz sześć orbitali sp³d².

A jak wyjaśniają geometrie molekularne? Ponieważ mają sześć, z równymi energiami, muszą więc być zorientowane symetrycznie w przestrzeni, aby wytworzyć równe środowiska chemiczne (na przykład w związku MF).₆).

Kiedy to robią, powstaje ośmiościan koordynacji, który jest równy oktaedrycznej geometrii wokół środka (M).

Jednak geometrie mają tendencję do zniekształceń, co oznacza, że ​​nawet orbitale hybrydowe nie są całkowicie zdegenerowane. Zatem, na zakończenie, zdegenerowane orbitale istnieją tylko w izolowanych atomach lub w wysoce symetrycznych środowiskach.

Referencje

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