Hvordan visualisere Hydrogen Electron orbitaler

Mange av begrepene du vil støte på i kvantemekanikk eller kvantekjemi kan være vanskelig å visualisere. Det er én ting å si, for eksempel at elektroner utviser både bølge-lignende og partikkel-lignende egenskaper, men hva betyr egentlig det? Tegning atomorbitalene kan være en fin måte å bli kjent med noen grunnleggende begreper og få en mer intuitiv følelse av hvordan saken virker ned på subatomære nivå. Her er hvordan å trekke orbitaler for et hydrogenatom.

Bruksanvisning

1 Husker at et elektron i et hydrogenatom, kan bare eksistere i visse diskrete tilstander, som hver er beskrevet av en bølgelignende ligning som kalles en bølgefunksjon. En Orbital er i utgangspunktet en av statene et elektron kan oppta. Squaring bølgefunksjonen gir sannsynligheten for at du vil finne elektronet på et gitt tidspunkt. Hvis du skulle trekke en 3-D graf av kvadratet av bølgefunksjonen, og farge områder med høy sannsynlighet en mørkere farge og områder med lav sannsynlighet en lysere farge, vil du ha en god ide hvor elektronet kan bli funnet.

2 Legg merke til at i stedet for å skrive ut hele bølgefunksjonen, kjemikere bruker en slags stenografi, hvor hver stat et elektron kan oppta beskrives av fire ulike kvantetall.

Den første, den viktigste eller n betegner størrelsen på orbital og kan være en hvilken som helst heltall 1 eller større. Alle orbitaler som deler samme hovedkvantetallet nummer kalles et skall.

Den andre, dreieimpuls, betegner formen på orbital.To unngå forvirring, er det generelt representert som en bokstav i stedet for et tall; bokstavene er s, p, d der s = 0, p = 1, d = 2 og f = 3. (Det finnes andre mulige verdier for spinn, men du vil ikke støte på noe over d i en organisk eller generell kjemi klassen .) Alle orbitaler som har samme dreieimpuls quantum nummer kalles et subshell.

Den tredje Quantum nummer, den magnetiske quantum tall, betegner orienteringen av orbital.

Den fjerde Quantum tall er spinn, eller orienteringen av elektronspinnakse. Elektroner kan ha bare to verdier for spinn, +1/2 og -1/2.

Ingen elektron kan ha samme sett kvantetall. Følgelig kan maksimalt to elektroner okkupere enhver orbital, og hvis en orbital inneholder to elektroner, må de ha motsatt spinn.

3 Legg merke til at på grunn av de mulige verdier for den magnetiske kvantetallet og dreieimpuls, høyere skjell inneholde flere subshells, og høyere subshells inneholde flere mulige orbitaler. En s-subshell kan bare ha én orbital, mens ap subshell har tre, subshell annonsen fem og et f subshell 7. tillatt kvantetall er som følger:

Den første skall (n = 1) inneholder bare en s orbital.

Det andre skall (n = 2) inneholder en s orbital og 3 p-orbitaler.

Den tredje skall (n = 3) inneholder en s orbital, 3 p-orbitaler og 5 d orbitaler.

Den fjerde shell (n = 4) inneholder en s orbital, 3 p orbitaler, 5 d orbitaler og 7 f orbitaler.

4 Åpne linken under Resources nedenfor og se på animasjoner for hver type orbital å få en følelse for de forskjellige former.

5 Tegn en s-orbital. S-orbitaler er sfæriske i form og sentrert på kjernen. Jo høyere hovedkvantetallet tall, jo større de s-orbital vil være. En ikke-ionisert hydrogenatom i sitt laveste energi eller grunntilstanden har bare ett elektron i en 1s-orbital. (Legg merke til at kjemikere skrive vanligvis hovedkvantetallet nummeret etterfulgt av shell eller dreieimpuls, og derfor betyr 1s første skall, S-type orbital).

Husk at når du tegner denne formen, er du bare trekke den omtrentlige formen av regionen høyeste sannsynlighetstetthet - det vil si hvor vi forventer elektronet vil mest sannsynlig være. Siden et elektron utstillinger bølge-partikkel dualiteten, kan vi ikke nøyaktig vet både posisjon og fremdriften av elektronet, men så vil det alltid være en viss usikkerhet, og hvis vi ønsket å være veldig nøyaktig kantene av orbital bør være uklar som en sky. Faktisk et stadig skiftende sky av negativ ladning er kanskje den beste og enkleste måten å forestille seg elektroner i en orbital.

6 Tegn de tre p-orbitaler i andre shell. P-orbitaler er omtrent dumbbell formet. Hver og en av de tre ligger langs en annen akse: langs x-aksen, langs y-aksen, og langs z-aksen. Legg merke til at p-orbitaler ha en helt annen form enn s-orbitaler.

7 Tegn fem d-orbitaler i tredje skall. D-orbitaler er litt vanskeligere å tegne. Fire av dem danner Cloverleaf former. En kløver er i xy-planet, med sin "blad" midtveis mellom de to akser på hver side. En annen kløver er i yz planet, og enda en annen er i xz planet. En fjerde kløverformet orbital er i xy-planet, men med sin "blader" som peker direkte langs aksene. Den femte og siste D-orbital er propell-formet og peker rett langs z-aksen med en ring rundt den på midten.

Hint

• Hvis elektroner som bølger og orbitaler som matematiske funksjoner virke bakvendt, ikke bekymre deg om det - det tar litt tid å bli vant til å tenke på elektroner som både "bølger" og "partikler". Ikke mindre en vitenskapsmann enn Albert Einstein ble plaget av bisarre og tilsynelatende paradoksale konsekvensene av kvantemekanikken; han famously bemerket at "Gud ikke spiller terning". Mange forsøk gjennom hele det 20. århundre, men bekreftet at disse teoriene forutsi oppførselen til subatomære partikler og systemer med en forbløffende grad av nøyaktighet. Som bakvendt da disse ideene kan virke ved første, de er den beste beskrivelsen vi har av hvordan saken oppfører seg på atomært og subatomære nivå.