Rajaton mikrobiologia
Elektroniorbitaalit
Elektroniorbitaalit ovat kolmiulotteisia esityksiä tilasta, jossa elektroni todennäköisesti sijaitsee.
Oppimistavoitteet
Erota toisistaan Bohrin mallin elektroniorbitaalit ja kvanttimekaaniset orbitaalit
Keskeiset asiat
Keskeiset asiat
. Points
- Atomin Bohrin malli ei anna tarkkaa kuvaa siitä, miten elektronit jakautuvat avaruudellisesti ytimen ympärille, sillä ne eivät kierrä ydintä kuten maa kiertää aurinkoa.
- Elektroniorbitaalit ovat tulosta kvanttimekaniikan matemaattisista yhtälöistä, joita kutsutaan aaltofunktioiksi, ja niillä voidaan ennustaa tietyllä todennäköisyystasolla, missä elektroni voi olla milloinkin.
- Orbitaalien määrä ja tyyppi lisääntyy atomiluvun kasvaessa, jolloin ne täyttävät erilaisia elektronikuoria.
- Aluetta, jossa elektroni todennäköisimmin sijaitsee, kutsutaan sen orbitaaliksi.
Avaintermit
- elektronikuori: Atomissa olevien kaikkien niiden elektronien yhteiset tilat, joilla on sama pääkvanttiluku (visualisoituna kiertoratana, jolla elektronit liikkuvat).
- Orbitaali: Elektronin energia- ja todennäköisyystiheyden määrittely missä tahansa pisteessä atomissa tai molekyylissä.
Vaikka se on hyödyllinen selitettäessä tiettyjen alkuaineiden reaktiivisuutta ja kemiallista sidosta, Bohrin atomimalli ei kuvaa tarkasti sitä, miten elektronit jakautuvat tilallisesti ytimen ympärille. Ne eivät kierrä ydintä kuten maa kiertää aurinkoa, vaan ne sijaitsevat pikemminkin elektroniorbitaaleissa. Nämä suhteellisen monimutkaiset muodot johtuvat siitä, että elektronit käyttäytyvät hiukkasten lisäksi myös aaltojen tavoin. Kvanttimekaniikan matemaattisilla yhtälöillä, joita kutsutaan aaltofunktioiksi, voidaan ennustaa tietyllä todennäköisyydellä, missä elektroni voi olla milloinkin. Aluetta, jossa elektroni todennäköisimmin on, kutsutaan sen orbitaaliksi.
Ensimmäinen elektronikuori
Ytimelle lähimpänä olevaan orbitaaliin, jota kutsutaan 1s-orbitaaliksi, voi mahtua jopa kaksi elektronia. Tämä orbitaali vastaa Bohrin atomimallin sisintä elektronikuorta. Sitä kutsutaan 1s-orbitaaliksi, koska se on pallomainen ytimen ympärillä. 1s-orbitaali täyttyy aina ennen muita orbitaaleja. Vedyssä on yksi elektroni, joten sillä on vain yksi paikka 1s-rata-alueella. Tämä merkitään 1s1:ksi, jossa ylinumero 1 viittaa yhteen elektroniin 1s:n orbitaalissa. Heliumilla on kaksi elektronia, joten se voi täyttää 1s-kehän kokonaan kahdella elektronillaan. Tästä käytetään nimitystä 1s2, joka viittaa heliumin kahteen elektroniin 1s-orbitaalissa. Jaksollisessa järjestelmässä vety ja helium ovat ainoat alkuaineet ensimmäisellä rivillä (jaksossa); tämä johtuu siitä, että ne ovat ainoita alkuaineita, joilla on elektroneja vain ensimmäisellä kuorellaan, 1s-orbitaalissa.
Toinen elektronikuori
S- ja P-orbitaalien kaavio: S-alakuoret ovat pallonmuotoisia. Sekä 1n- että 2n-pääkuorissa on s-orbitaali, mutta pallon koko on suurempi 2n-orbitaalissa. Kukin pallo on yksittäinen orbitaali. p-alakuoret koostuvat kolmesta käpylehmän muotoisesta orbitaalista. Pääkuorella 2n on p-alakuori, mutta kuorella 1 ei ole.
Kakkoselektronikuori voi sisältää kahdeksan elektronia. Tämä kuori sisältää toisen pallomaisen s-orbitaalin ja kolme ”nyytin” muotoista p-orbitaalia, joihin kuhunkin voi mahtua kaksi elektronia. Kun 1s-orbitaali on täytetty, täytetään toinen elektronikuori täyttämällä ensin sen 2s-orbitaali ja sitten sen kolme p-orbitaalia. Kun p-orbitaaleja täytetään, kukin ottaa yhden elektronin; kun jokaisella p-orbitaalilla on elektroni, voidaan lisätä toinen elektroni. Litium (Li) sisältää kolme elektronia, jotka täyttävät ensimmäisen ja toisen kuoren. Kaksi elektronia täyttää 1s-orbitaalin, ja kolmas elektroni täyttää 2s-orbitaalin. Sen elektronikonfiguraatio on 1s22s1. Neonissa (Ne) puolestaan on yhteensä kymmenen elektronia: kaksi on sen sisimmässä 1s-orbitaalissa ja kahdeksan täyttää sen toisen kuoren (kaksi kumpikin 2s- ja kolme p-orbitaalia). Näin ollen se on inertti kaasu ja energeettisesti stabiili: se muodostaa harvoin kemiallisen sidoksen muiden atomien kanssa.
Kolmas elektronikuori
Kookkaammilla alkuaineilla on ylimääräisiä orbitaaleja, jotka muodostavat kolmannen elektronikuoren. Alakuoret d ja f ovat muodoltaan monimutkaisempia ja sisältävät viisi ja seitsemän orbitaalia. Pääkuoressa 3n on s-, p- ja d-alakuoret, ja siihen mahtuu 18 elektronia. Pääkuoressa 4n on s-, p-, d- ja f-orbitaalit, ja siihen mahtuu 32 elektronia. Kun etäännytään ytimestä, energiatasoissa olevien elektronien ja orbitaalien määrä kasvaa. Siirryttäessä atomista toiseen jaksollisessa järjestelmässä elektronirakenne voidaan selvittää sovittamalla ylimääräinen elektroni seuraavaan käytettävissä olevaan orbitaaliin. Vaikka elektronikuorien ja orbitaalien käsitteet liittyvät läheisesti toisiinsa, orbitaalit antavat tarkemman kuvauksen atomin elektronikonfiguraatiosta, koska orbitaalimalli määrittelee kaikkien niiden paikkojen erilaiset muodot ja erityiset suunnat, joita elektronit voivat miehittää.