Home
فارسی
شیمی آلی 1
1: ساختار و پیوند
1.3: ساختار اتمی - اوربیتال

1.3: ساختار اتمی - اوربیتال

Last updated
Save as PDF

Page ID: 215676

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $

$ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $

$ \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} $

$ \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} $

$ \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} $

$ \newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$ \newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

$ \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow$

$ \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow$

$ \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $

$ \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} $

$ \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} $

$ \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} $

$ \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} $

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $

$\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}$

$ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $

$\newcommand{\avec}{\mathbf a}$ $\newcommand{\bvec}{\mathbf b}$ $\newcommand{\cvec}{\mathbf c}$ $\newcommand{\dvec}{\mathbf d}$ $\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}$ $\newcommand{\evec}{\mathbf e}$ $\newcommand{\fvec}{\mathbf f}$ $\newcommand{\nvec}{\mathbf n}$ $\newcommand{\pvec}{\mathbf p}$ $\newcommand{\qvec}{\mathbf q}$ $\newcommand{\svec}{\mathbf s}$ $\newcommand{\tvec}{\mathbf t}$ $\newcommand{\uvec}{\mathbf u}$ $\newcommand{\vvec}{\mathbf v}$ $\newcommand{\wvec}{\mathbf w}$ $\newcommand{\xvec}{\mathbf x}$ $\newcommand{\yvec}{\mathbf y}$ $\newcommand{\zvec}{\mathbf z}$ $\newcommand{\rvec}{\mathbf r}$ $\newcommand{\mvec}{\mathbf m}$ $\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}$ $\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}$ $\newcommand{\real}{\mathbb R}$ $\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}$ $\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}$ $\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}$ $\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}$ $\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}$ $\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}$ $\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}$ $\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}$ $\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}$ $\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}$ $\newcommand{\bcal}{\cal B}$ $\newcommand{\ccal}{\cal C}$ $\newcommand{\scal}{\cal S}$ $\newcommand{\wcal}{\cal W}$ $\newcommand{\ecal}{\cal E}$ $\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}$ $\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}$ $\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}$ $\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}$ $\newcommand{\row}{\text{Row}}$ $\newcommand{\col}{\text{Col}}$ $\renewcommand{\row}{\text{Row}}$ $\newcommand{\nul}{\text{Nul}}$ $\newcommand{\var}{\text{Var}}$ $\newcommand{\corr}{\text{corr}}$ $\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}$ $\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}$ $\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}$ $\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}$ $\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}$ $\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}$ $\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}$ $\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}$ $\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}$ $\newcommand{\lt}{<}$ $\newcommand{\gt}{>}$ $\newcommand{\amp}{&}$ $\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}$

الکترون ها چگونه در یک اتم توزیع می شوند؟ ممکن است از دوره شیمی عمومی خود به یاد بیاورید که طبق مدل مکانیک کوانتومی، رفتار یک الکترون خاص در یک اتم را می توان با یک عبارت ریاضی به نام معادله موج توصیف کرد - همان نوع بیان که برای توصیف حرکت امواج در یک سیال استفاده می شود. راه حل معادله موج، تابع موج یا اوربیتال نامیده می شود و با حرف کوچک یونانی psi (ψ) نشان داده می شود.

هنگامی که مربع تابع موج، ψ ²، در فضای سه بعدی رسم می شود، یک اوربیتال حجم فضای اطراف یک هسته را توصیف می کند که یک الکترون به احتمال زیاد اشغال می کند. بنابراین ممکن است تصور کنید که یک اوربیتال مانند عکسی از الکترون است که با سرعت شاتر آهسته گرفته شده است. در چنین عکسی، اوربیتال به صورت یک ابر تار ظاهر می شود که نشان دهنده منطقه ای از فضا است که الکترون در آن قرار داشته است. این ابر الکترونی مرز تیز ندارد، اما برای اهداف عملی ما می توانیم محدودیت ها را با گفتن اینکه یک اوربیتال نشان دهنده فضایی است که یک الکترون 90 تا 95 درصد از زمان خود را در آن صرف می کند، تعیین کنیم.

اوربیتال ها چه شکلی هستند؟ چهار نوع مختلف اوربیتال وجود دارد، s، p، d و f که هر کدام شکل متفاوتی دارند. از این چهار مورد، ما در درجه اول به اوربیتالهای s و p توجه خواهیم داشت زیرا این اوربیتالها در شیمی آلی و بیولوژیکی رایج ترین هستند. یک اوربیتال s شکل کروی دارد، با هسته در مرکز آن؛ یک اوربیتال p شکل دمبل با دو قسمت یا لوب دارد؛ و چهار تا از پنج اوربیتال d دارای شکل برگ شبدر با چهار لوب هستند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. $\PageIndex{1}$ مدار پنجم d به شکل یک دمبل کشیده است که یک دونات در اطراف وسط آن قرار دارد.

یک اوربیتال مشخصه s, p, d با هسته در مرکز هر یک. دو لوب شبدری شکل و چهار لوب شبدری شکل به ترتیب اوربیتال p و d را تشکیل می دهند. — شکل$\PageIndex{1}$: نمایش اوربیتال های *s، p* و d. یک اوربیتال s کروی است، یک اوربیتال p دمبل شکل است و چهار تا از پنج اوربیتال d به شکل شبدر هستند. لوب های مختلف اوربیتال p اغلب برای راحتی به عنوان قطره اشک کشیده می شوند، اما شکل واقعی آنها بیشتر شبیه به دستگیره در است، همانطور که نشان داده شده است.

اوربیتال ها در یک اتم به لایه های مختلفی در اطراف هسته به نام پوسته های الکترونی سازماندهی شده اند که در اطراف هسته قرار دارند و به طور پی در پی اندازه و انرژی بیشتری دارند. پوسته های مختلف شامل اعداد و انواع مختلفی از اوربیتال ها هستند و هر اوربیتال درون یک پوسته می تواند توسط دو الکترون اشغال شود. پوسته اول شامل تنها یک اوربیتال s است که 1 s نشان داده می شود و بنابراین تنها 2 الکترون را نگه می دارد. پوسته دوم شامل یک اوربیتال 2 s و سه اوربیتال 2 p است و بنابراین در مجموع 8 الکترون را نگه می دارد. پوسته سوم شامل یک اوربیتال 3 s، سه اوربیتال 3 p و پنج اوربیتال 3 d برای ظرفیت کل 18 الکترون است. این گروه بندی های مداری و سطح انرژی آنها در شکل $\PageIndex{2}$ نشان داده شده است.

سطوح انرژی سه پوسته اول، از جمله اوربیتالهای پر از جفت الکترون. ظرفیت پوسته های اول، دوم و سوم به ترتیب 2، 8 و 18 الکترون است. — شکل$\PageIndex{2}$: سطح انرژی الکترون ها در یک اتم. پوسته اول حداکثر 2 الکترون را در یک 1 *ثانیه* نگه می دارد

اوربیتال؛ لایه دوم حداکثر 8 الکترون را در یک اوربیتال 2 ثانیه و سه اوربیتال 2 p نگه می دارد؛ لایه سوم حداکثر 18 الکترون را در یک اوربیتال 3 ثانیه، سه اوربیتال 3 p و 3 d نگه می دارد. دو الکترون در هر اوربیتال با پنج فلش بالا و پایین نشان داده می شوند. $⇅ می‌شود.$ اگر چه نشان داده نشده است، سطح انرژی مدار 4 s بین 3 p و 3 d سقوط می کند.

_{سه اوربیتال p مختلف در یک پوسته داده شده در فضا در جهت عمود بر یکدیگر قرار دارند که p _x، p _y و p z نشان داده می شوند.} همان‌طور که در شکل نشان داده شده‌است$\PageIndex{3}$، دو لوب هر اوربیتال p با ناحیه‌ای از چگالی الکترون صفر به نام گره از هم جدا می‌شوند. علاوه بر این، دو ناحیه مداری که توسط گره از هم جدا شده اند، علائم جبری متفاوتی دارند، + و -، در تابع موج، همانطور که با رنگ های مختلف در شکل $\PageIndex{1}$ و شکل نشان داده شده است. $\PageIndex{3}$ همانطور که در بخش 1.12 خواهیم دید، این علائم جبری برای لوب های مختلف مداری پیامدهای مهمی در رابطه با پیوند شیمیایی و واکنش شیمیایی دارند.

جهت گیری اوربیتال های 2px، 2py و 2pz با لوب ها در امتداد محور x، y و z به ترتیب. — شکل$\PageIndex{3}$: اشکال اوربیتال های 2 p. هر یک از سه اوربیتال متقابلا عمود بر هم، دمبل شکل دارای دو لوب است که توسط یک گره از هم جدا شده اند. همانطور که با رنگهای مختلف نشان داده شده است، دو لوب علائم جبری متفاوتی در تابع موج مربوطه دارند.