Back to chapter

7.11:

Orbitalen van Atomen

JoVE Core
Química
É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
JoVE Core Química
Atomic Orbitals

Idiomas

COMPARTILHAR

Het dichtste gebied van de elektronenwolk waar het meest waarschijnlijk een elektron wordt gevonden wordt beschreven in termen van atomaire orbitalen. De vorm van een atomaire orbitaal wordt bepaald door het impulsmomentkwantumgetal, l. Bedenk dat de waarden van l zijn gebaseerd op het hoofdkwantumgetal, n mogelijke waarden van l variëren van nul tot n min één.Als n groter is dan één, bestaan er meerdere subniveaus. Elke waarde van l komt overeen met een s, p, d of f orbitaal. De orbitaal met de laagste energie is de 1-s-orbitaal.Dit is een sferisch symmetrische orbitaal. De waarschijnlijkheidsdichtheid van een 1-s-orbitaal laat zien dat het elektron waarschijnlijk in de kern wordt gevonden. Gezien de elektrostatische krachten tussen protonen en elektronen is dit echter niet waarschijnlijk.Het vermenigvuldigen van de waarschijnlijkheidsdichtheid met het volume van dunne bolvormige schillen met straal r is representatiever. De totale kans om een elektron te vinden in de dunne schil op een afstand r van de kern is de radiale verdelingsfunctie. Voor waterstof is de grootste kans om een elektron te vinden op 52, 9 picometer van de kern.De vorm van de 1-s atomaire orbitaal voor waterstof is dus bolvormig met een straal van 52, 9 picometer. De 2s en 3s orbitalen zijn ook bolvormig. Ze zijn groter en hebben knoopvlakken.Bij een knoopvlak is de kans om een elektron te vinden nul. Hoofdniveaus met n gelijk aan twee of meer bevatten ook 3p-orbitalen. Deze zijn haltervormig met een knoopvlak in de kern.Hun oriëntatie wordt beschreven door de waarde van m-l. De 3p-orbitalen staan orthogonaal op elkaar. Hoofdniveaus van n gelijk aan drie of meer hebben ook 5d-orbitalen.De d-orbitalen met de klaverbladvorm hebben vier elektronendichte halters en twee loodrechte knoopvlakken. Een van de d-orbitalen is iets anders. De f-orbitalen hebben meer halters en knoopvlakken.Deze orbitalen bestaan voor hoofdniveaus van n gelijk aan vier of meer. Wanneer de orbitalen op elkaar worden gelegd, ontstaat er ongeveer een bolvorm. Dit is de reden waarom atomen over het algemeen worden weergegeven als bollen.

7.11:

Orbitalen van Atomen

An atomic orbital represents the three-dimensional regions in an atom where an electron has the highest probability to reside. The radial distribution function indicates the total probability of finding an electron within the thin shell at a distance r from the nucleus. The atomic orbitals have distinct shapes which are determined by l, the angular momentum quantum number. The orbitals are often drawn with a boundary surface, enclosing densest regions of the cloud. 

The angular momentum quantum number is an integer that may take the values, l = 0, 1, 2, …, n – 1. An orbital with a principal quantum number of 1 (n = 1) can have only one value of l (l = 0), whereas a principal quantum number of 2 (n = 2) permits l = 0 and l = 1. Orbitals with the same value of l define a subshell.

Orbitals with l = 0 are called s orbitals and they make up the s subshells. The value l = 1 corresponds to the p orbitals. For a given n, p orbitals constitute a p subshell (i.e., 3p if n = 3). The orbitals with l = 2 are called the d orbitals. The orbitals with l = 3, 4, and 5 are the f, g, and h orbitals. 

The lowest energy orbital is the 1s orbital. This is a spherically symmetric orbital. The probability density (ψ2) of a 1s orbital implies that the electron is most likely to be found at the nucleus. However, given the electrostatic forces between protons and electrons, this does not accurately represent where the electron will reside. Instead, the Radial Distribution Function is used,  which is a plot of the total probability of finding an electron in an orbital at a given radius r. The radial distribution function is found by multiplying the probability density by the volume of thin spherical shells with radii, r. For the 1s orbital of hydrogen, the Radial Distribution Function has a value zero at the nucleus, which increases to a maximum at 52.9 picometers before decreasing with increasing r.

There are certain distances from the nucleus at which the probability density of finding an electron located at a particular orbital is zero. In other words, the value of the wavefunction ψ is zero at this distance for this orbital. Such a value of r is called a radial node. The number of radial nodes in an orbital is nl – 1. For 2s orbitals, where n = 1, there is one radial node, whereas 3s orbitals have two radial nodes. 

Each principal level with n = 2 or more contains three p orbitals. The three p orbitals have two lobes with a node located at the nucleus . The orientation of p orbitals in space is described by the value of ml. The three p orbitals are mutually perpendicular (orthogonal) to each other. The higher p orbitals (3p, 4p, 5p, and higher) have similar shapes but are larger in size with additional radial nodes.

Principal levels with n = 3 or more contain five d orbitals. Four of these orbitals consist of a cloverleaf shape, with four electron-dense lobes. There are two perpendicular nodal planes that intersect at the nucleus. At these nodal planes, the electron density is zero. One of the d orbitals is slightly different in shape and has two lobes oriented in the z-axis with a donut-shaped ring in the xy plane. Principal levels with n = 4 and greater contain seven f orbitals, which have complex shapes. These orbitals have more nodes and lobes than d orbitals.

Figure1

Figure 1: Representative s, p, d, and f orbitals.

These different shapes of the atomic orbitals represent the three-dimensional regions within which the electron is likely to be found. All the orbitals together make up a roughly spherical shape, which is why atoms are generally represented as spheres.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.