원자 궤도 : 구성 및 유형 - 화학

원자 궤도는 전자에 대한 파동 함수에 의해 정의 된 원자의 이들 영역이다. 파동 함수는 Schrödinger 방정식을 풀어 얻은 수학적 표현입니다. 이것들은 우주에서 하나 이상의 전자의 에너지 상태와 그것을 찾을 확률을 설명합니다.

화학자들이 결합과 주기율표를 이해하기 위해 적용한이 물리적 개념은 전자를 동시에 파동과 입자로 간주합니다. 따라서 전자가 핵이나 태양을 중심으로 궤도를 도는 행성 인 태양계의 이미지는 폐기됩니다.

출처 : Haade, Wikimedia Commons를 통해

이 구식 시각화는 원자의 에너지 수준을 설명 할 때 유용합니다. 예를 들어, 궤도를 나타내는 동심원 고리와 그 정적 전자로 둘러싸인 원. 사실 이것은 원자가 어린이와 젊은이들에게 소개되는 이미지입니다.

그러나 실제 원자 구조는 너무 복잡해서 대략적인 그림을 볼 수도 없습니다.

그런 다음 전자를 파동 입자로 고려하고 수소 원자에 대한 슈뢰딩거 미분 방정식 (모든 것 중 가장 단순한 시스템)을 풀면 유명한 양자 수를 얻었습니다.

이 숫자는 전자가 원자의 어떤 위치도 차지할 수없고 이산적이고 양자화 된 에너지 준위를 따르는 전자 만 차지한다는 것을 나타냅니다. 위의 수학적 표현은 파동 함수로 알려져 있습니다.

따라서 수소 원자로부터 양자 수에 의해 지배되는 일련의 에너지 상태가 추정되었습니다. 이러한 에너지 상태를 원자 궤도라고합니다.

그러나 이것들은 수소 원자에서 전자의 행방만을 설명했습니다. 다른 원자, 폴리 일렉트로닉스의 경우 헬륨부터 궤도 근사화가 이루어졌습니다. 왜? 두 개 이상의 전자가있는 원자에 대한 Schrödinger 방정식을 푸는 것은 매우 복잡하기 때문입니다 (현재 기술을 사용하더라도).

원자 궤도 란 무엇입니까?

원자 궤도는 방사형과 각도라는 두 가지 구성 요소로 구성된 파동 함수입니다. 이 수학적 표현은 다음과 같이 작성됩니다.

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

처음에는 복잡해 보일 수 있지만 양자 번호 n, l 및 ml는 소문자로 표시됩니다. 이것은이 세 숫자가 궤도를 설명한다는 것을 의미합니다. 방사형 함수로 더 잘 알려진 R _nl (r)은 nyl에 의존합니다. 각도 함수 인 Y _lml (θϕ)은 l과 ml에 따라 달라집니다.

수학 방정식에는 변수 r, 핵까지의 거리, θ 및 ϕ도 있습니다. 이 모든 방정식 세트의 결과는 궤도의 물리적 표현입니다. 어느 것? 위 이미지에서 본 것. 다음 섹션에서 설명 할 일련의 궤도가 표시됩니다.

그들의 모양과 디자인 (색상이 아님)은 파동 함수와 공간의 방사형 및 각도 구성 요소를 그래프로 표시 한 것입니다.

방사형 파동 기능

방정식에서 볼 수 있듯이 R _nl (r)은 n과 l에 모두 의존합니다. 따라서 방사형 파동 함수는 주 에너지 수준과 하위 수준으로 설명됩니다.

방향에 관계없이 전자를 촬영할 수 있다면 무한히 작은 점을 관찰 할 수 있습니다. 그런 다음 수백만 장의 사진을 찍으면 포인트 클라우드가 코어까지의 거리 함수로 어떻게 변하는 지 자세히 알 수 있습니다.

이러한 방식으로 원거리 및 코어 근처의 구름 밀도를 비교할 수 있습니다. 동일한 작업이 반복되지만 다른 에너지 수준 또는 하위 수준이 있으면 이전 구름을 둘러싸는 다른 구름이 형성됩니다. 둘 사이에는 전자가 위치하지 않는 작은 공간이 있습니다. 이것이 방사형 노드로 알려진 것입니다.

또한 구름에는 전자 밀도가 높고 낮은 영역이 있습니다. 그들은 핵에서 점점 더 커질수록 더 많은 방사형 노드를 가지고 있습니다. 또한 전자가 더 자주 둥글고 더 많이 발견 될 가능성이 높은 거리 r.

각파 기능

다시 말하면, Y _lml (θϕ)은 주로 양자 수 l과 ml로 기술 된다는 것이 방정식으로부터 알려져 있습니다 . 이번에는 자기 양자 수에 참여하므로 공간에서 전자의 방향이 정의됩니다. 그리고이 방향은 변수 θ와 ϕ를 포함하는 수학적 방정식에서 그래프로 나타낼 수 있습니다.

이제 우리는 사진을 찍지 않고 원자의 전자 궤적을 비디오로 기록합니다. 이전 실험과 달리 전자가 어디에 있는지 정확히 알 수 없지만 어디로 가는지 알 수 있습니다.

전자가 이동함에 따라 더 정의 된 구름을 설명합니다. 사실, 이미지에 보이는 것과 같은 구형 또는 돌출부가있는 그림입니다. 그림의 유형과 공간에서의 방향은 l 및 ml로 설명됩니다.

전자가 이동하지 않고 숫자가 사라지는 핵에 가까운 영역이 있습니다. 이러한 영역을 코너 노드라고합니다.

예를 들어 첫 번째 구형 궤도를 보면 모든 방향에서 대칭이라는 결론에 빠르게 도달합니다. 그러나 이것은 모양이 빈 공간을 나타내는 다른 궤도의 경우가 아닙니다. 이들은 데카르트 평면의 원점과 로브 사이의 가상 평면에서 관찰 할 수 있습니다.

전자와 화학 결합을 찾을 확률

출처 : By CK-12 Foundation (파일 : High School Chemistry.pdf, 페이지 265), via Wikimedia Commons

궤도에서 전자를 찾을 실제 확률을 결정하려면 방사형과 각도라는 두 가지 기능을 고려해야합니다. 따라서 각도 성분, 즉 궤도의 그림 모양을 가정하는 것으로는 충분하지 않지만 핵으로부터의 거리에 따라 전자 밀도가 어떻게 변하는지를 가정하는 것으로 충분하지 않습니다.

그러나 방향 (ml)이 하나의 궤도를 다른 궤도와 구별하기 때문에 궤도의 모양 만 고려하는 것이 실용적입니다 (전적으로 정확하지는 않지만). 이런 식으로 화학 결합에 대한 설명은 이러한 그림의 중복으로 설명됩니다.

예를 들어, 위는 1s, 2s 및 3s의 세 가지 궤도에 대한 비교 이미지입니다. 내부에 방사형 노드가 있습니다. 1s 궤도에는 노드가없고 다른 두 궤도에는 노드가 1 개 및 2 개 있습니다.

화학 결합을 고려할 때 이러한 궤도의 구형 만 염두에 두는 것이 더 쉽습니다. 이런 식으로 ns 궤도는 다른 궤도에 접근하고 거리 r에서 전자는 이웃 원자의 전자와 결합을 형성합니다. 여기에서이 링크를 설명하는 여러 이론가 (TEV 및 TOM)가 발생합니다.

그것들은 어떻게 상징됩니까?

원자 궤도는 nl _ml 로 명시 적으로 기호화됩니다 .

양자 수는 정수 값 0, 1, 2 등을 취하지 만 궤도를 상징하기 위해 숫자 값만 n으로 남습니다. l의 경우 정수는 해당 문자 (s, p, d, f)로 대체됩니다. 및 ml의 경우 변수 또는 수학 공식 (ml = 0 제외).

예를 들어 1s 궤도의 경우 n = 1, s = 0 및 ml = 0입니다. 모든 ns 궤도 (2s, 3s, 4s 등)에 동일하게 적용됩니다.

나머지 궤도를 상징하려면 각각 고유 한 에너지 수준과 특성을 가진 유형을 처리해야합니다.

종류

궤도 s

양자 수 l = 0 및 ml = 0 (방사형 및 각도 구성 요소 추가)은 구형의 궤도를 설명합니다. 이것은 초기 이미지의 궤도 피라미드를 이끄는 것입니다. 또한 방사형 노드 이미지에서 볼 수 있듯이 4s, 5s 및 6s 궤도에는 3, 4 및 5 개의 노드가있을 것으로 예상 할 수 있습니다.

그것들은 대칭 적이며 그들의 전자는 더 큰 효과적인 핵 전하를 경험합니다. 이것은 전자가 내부 껍질을 관통하고 핵에 매우 가깝게 움직일 수 있기 때문에 긍정적 인 매력을 발휘합니다.

따라서 3s 전자가 2s 및 1s 궤도를 관통하여 핵에 접근 할 가능성이 있습니다. 이 사실은 sp 하이브리드 오비탈을 가진 원자가 sp ³ 하이브리드 화를 갖는 원자보다 전기 음성 (인접 원자로부터 전자 밀도를 끌어 당기는 경향이 더 큰) 이유를 설명합니다 .

따라서 s 오비탈의 전자는 핵 전하를 가장 많이 경험하고 에너지 적으로 더 안정된 전자입니다. 함께, 그들은 다른 하위 수준 또는 궤도의 전자에 차폐 효과를 발휘합니다. 즉, 가장 바깥 쪽 전자가 경험하는 실제 핵 전하 Z를 감소시킵니다.

궤도 p

출처 : Wikipedia를 통한 David Manthey

p 궤도는 양자 수 l = 1이고 값은 ml = -1, 0, +1입니다. 즉,이 궤도의 전자는 노란색 아령으로 표시되는 세 방향을 취할 수 있습니다 (위 이미지 참조).

각 덤벨은 데카르트 x, y 및 z 축을 따라 위치합니다. 따라서 x 축에 위치한 p 궤도는 p _x 로 표시됩니다 . y, p _y 축에있는 것 ; xy 평면, 즉 z 축에 수직 인 경우 p _z 입니다.

모든 궤도는 서로 수직입니다. 즉, 90º 각도를 형성합니다. 마찬가지로 각 함수는 핵 (직교 축의 원점)에서 사라지고 로브 (전자 밀도가 방사형 함수에 따라 달라짐) 내에서 전자를 찾을 확률 만 있습니다.

차폐 효과 불량

이 궤도의 전자는 궤도만큼 쉽게 내부 껍질을 관통 할 수 없습니다. 모양을 비교해 보면, p 궤도는 핵에 더 가까운 것처럼 보입니다. 그러나 ns 전자는 핵 주변에서 더 자주 발견됩니다.

위의 결과는 무엇입니까? np 전자는 더 낮은 유효 핵 전하를 경험합니다. 또한 후자는 s 궤도의 차폐 효과에 의해 더욱 감소됩니다. 예를 들어 sp ³ 하이브리드 궤도를 갖는 원자가 sp ² 또는 sp 궤도를 갖는 원자 보다 전기 음성이 떨어지는 이유를 설명합니다 .

각 덤벨에는 각 노드 평면이 있지만 방사형 노드는 없습니다 (2p 궤도 만 해당). 즉, 슬라이스를한다면 2s 궤도처럼 내부에 층이 없을 것입니다. 그러나 3p 궤도부터 방사형 노드가 관찰되기 시작합니다.

이러한 각 노드는 차폐 효과가 좋지 않은 가장 바깥 쪽 전자를 담당합니다. 예를 들어, 2s 전자는 2p 궤도의 전자를 2p 전자가 3s 궤도의 전자보다 더 잘 보호합니다.

Px, Py 및 Pz

ml의 값은 -1, 0 및 +1이므로 각각 Px, Py 또는 Pz 궤도를 나타냅니다. 총 6 개의 전자를 수용 할 수 있습니다 (각 궤도에 대해 2 개). 이 사실은 전자 구성, 주기율표 및 소위 p- 블록을 구성하는 요소를 이해하는 데 중요합니다.

궤도 d

출처 : By Hanilakkis0528, from Wikimedia Commons

d 궤도는 l = 2, ml = -2, -1, 0, +1, +2의 값을 갖습니다. 따라서 총 10 개의 전자를 보유 할 수있는 5 개의 궤도가 있습니다. d 궤도의 5 가지 각도 함수는 위 이미지에 표시됩니다.

첫 번째 3d 궤도에는 방사형 노드가 없지만 d _z2 궤도를 제외한 다른 모든 노드 에는 두 개의 노드 평면이 있습니다. 이미지의 평면이 아니라 클로버 잎 모양의 주황색 엽이 어느 축에 위치하는지 보여주기 때문입니다. 두 개의 절점 평면은 회색 평면에 수직으로 이등분하는 평면입니다.

그들의 모양은 효과적인 핵 전하를 보호하는 데 훨씬 덜 효과적입니다. 왜? 그들은 더 많은 노드를 가지고 있기 때문에 핵이 외부 전자를 끌어들일 수 있습니다.

따라서 모든 d 궤도는 한 에너지 수준에서 다른 에너지 수준으로 원자 반경이 덜 뚜렷하게 증가하는 데 기여합니다.

궤도 f

출처 : Wikimedia Commons에서 Geek3 작성

마지막으로, f 궤도는 l = 3 및 ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3의 값을 가진 양자 수를 갖습니다. 총 14 개의 전자에 대해 7 개의 f 궤도가 있습니다. 이 궤도는 6주기부터 이용 가능하며 표면적으로 4f로 상징됩니다.

각 각 함수는 복잡한 모양과 여러 노드 평면을 가진 로브를 나타냅니다. 따라서 그들은 외부 전자를 더 적게 보호하고이 현상은 란타나 이드 수축으로 알려진 것을 설명합니다.

이러한 이유로 중원 자의 경우 한 수준 n에서 다른 수준 n + 1 (예 : 6n ~ 7n)로 원자 반경에 뚜렷한 변화가 없습니다. 현재까지 5f 궤도는 자연 또는 인공 원자에서 마지막으로 발견 된 것입니다.

이 모든 것을 염두에두고 궤도와 궤도 사이에 걸프가 열립니다. 텍스트로는 비슷하지만 실제로는 매우 다릅니다.

원자 궤도와 궤도 근사화의 개념은 화학 결합을 설명 할 수있게했으며, 그것이 어떤 식 으로든 분자 구조에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 설명 할 수있게했습니다.

참고 문헌

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양자 이야기. (2011 년 8 월 26 일). 원자 궤도, 고등학교 거짓말. 출처 : cuentos-cuanticos.com

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