Aatomorbitaal

Allikas: Vikipeedia
Elektroni aatom- ja molekulaarorbitaalid. Orbitaalide kaart (vasakul) on reastatud energia suurenemise järgi (vaata Madelungi reegel). Märkus: Aatomorbitaalid on kolme muutuja funktsioonid (kaks nurka ja kaugus tuumast (r)). Need pildid kujutavad enam-vähem tõepäraselt orbitaali kaldenurka, kuid ei näita siiski täpset orbitaali kuju tervikuna.

Aatomorbitaal on ühe elektroni lainefunktsioon. Selle funktsiooni abil saab leida tõenäosuse, mis iseloomustab elektroni paiknemist aatomis. Täpsemalt öeldes on aatomorbitaalid üksikute elektronide võimalikud kvantolekud aatomi elektronkattes, mis on määratud elektroni lainefunktsiooniga.

Orbitaaliks nimetatakse sellist ala (ruumiosa) aatomis, kus elektroni leidumise tõenäosus on suur. Orbitaal näitab elektroni liikumisel tekkiva elektronpilve kuju. Elektron liigub põhiliselt vaid orbitaaliga määratud alas. Väljapoole orbitaali satub ta üsna harva.

Idee, et elektronid liiguvad orbiidilaadsetel trajektooridel aatomi sees, pakuti esmakordselt välja aastal 1904. Aastatel 1913 kuni 1926 arvati, et elektronid aatomis liiguvad ümber tuuma nagu planeedid ümber päikese. Püüd selgitada elektronide käitumist nende "orbiidil" suunas teadlasi kvantmehaanika seaduspärasuste avastamisele. Kvantmehaanika ennustuste järgi saavad mikroskoopiliste objektide puhul oluliseks mateeria lainelised omadused, mille tulemusena on elektron aatomituuma ümber "laiali määritud", st sel puudub selge trajektoor. Seetõttu kasutatakse elektronide jaoks sõna orbiit asemel sõna orbitaal.

Kõik orbitaalid ei ole ühesuguse kujuga. Osa on kerakujulised, kuid on ka keerukama kujuga orbitaale.

Orbitaalide (alamkihtide) nimed (s, p, d, f, g, ...) on saadud nende spektrijoontest: sharp (terav), principal (põhiline), diffuse (hajunud), ja fundamental (fundamentaalne) ning ülejäänud on juba nimetatud tähestiku järjekorras. Mõnikord on kasutatud ka mnemoonikuid sfääriline ja perifeerne.

Bohri mudeli järgi jaotati aatomi elektronkate kihtideks. Tänapäevane aatomimudel annab elektronkatte ehitusest täpsema pildi. Selle järgi jaotatakse elektronkihid omakorda alakihtideks. Esimene (kõige sisemine)elektronkiht koosneb vaid ühest alakihist. Igal järgmisel elektronkihil on üks alakiht rohkem kui eelmisel. Alakihtide arv igas elektronkihis võrdub selle kihi järjekorranumbriga n. Iga alakihi tähises märgitakse kõigepealt elektronkihi number ja seejärel alakihi tüüp (mida märgitakse vastava tähega).

Üks orbitaal mahutab kuni 2 elektroni. Kaks elektroni, mis asuvad samal orbitaalil, moodustavad elektronipaari. Elektronidel on lisaks negatiivsele laengule ka magnetilised omadused. Selleks, et elektronid saaksid moodustada elektronipaari, peavad nende magnetväljad olema vastassuunalised. Vastassuunaline magnetväli vähendab elektronide omavahelist tõukumist ühesuguse (negatiivse) laengu tõttu.

s-alakiht on iga elektronkihi esimene alakiht. See on kõige madalama energiaga alakiht vastavas elektronkihis. s-alakihis asub vaid üks kerakujuline s-orbitaal. p-alakiht järgneb s-alakihile alates teisest elektronkihist. Selle alakihi energia on veidi kõrgem kui s-alakihil. p-alakihis on 3 p-orbitaali. Need orbitaalid on piklikud, sarnanedes mõnevõrra hantlitega (sageli nimetataksegi neid hantlikujulisteks). p-orbitaalid paiknevad omavahel risti (on orienteeritud vastavalt piki x-, y- ja z-telge). d-alakiht tuleb juurde alates kolmandast elektronkihist. See on veel kõrgema energiaga kui eelmised alakihid. d-alakihis asub 5 d-orbitaali. Need on veel keerukama kujuga kui p-orbitaalid. Elektronkihtide ehituses valitseb seega kindel süsteem:

  • igas järgmises elektronkihis on üks alakiht rohkem;
  • sama elektronkihi igas järgmises alakihis on 2 orbitaali rohkem kui eelmises.

s-alakihis on 1 orbitaal, p-alakihis on 3 orbitaali, d-alakihis on 5 orbitaali jne. Arvestades, et igale orbitaalile mahub kuni kaks elektroni, saame arvutada, mitu elektroni mahub igasse alakihti ja igasse kihti. Näiteks süsinik: C +6/ 2)4) Süsinikul on 4 paardumata elektroni, järelikult moodustab 4 sidet. Seega on süsinik neljavalentne. s ja p orbitaalid segunevad e. hübridiseeruvad: sp3 hübridisatsioon (4 sp3-hübriidset orbitaali, mis on suunatud tetraeedri tippudesse (tetraeedriline süsinik, sidemete vaheline nurk ≈109°) sp2 hübridisatsioon (3 sp2-hübriidset orbitaali, mis on 120°-se nurga all ühel tasapinnal(tasapinnaline süsinik)ja 1 normaalne p-orbitaal) sp hübridisatsioon (2 sp-hübriidset orbitaali, mis asetsevad ühel sirgel (lineaarne süsinik) ja 2 normaalset p-orbitaali)

Kvantmehaanika reeglite kohaselt on aatomorbitaalid määratud järgmiste kvantarvudega:

  1. peakvantarv n, mille võimalikud väärtused on 1, 2, 3, ...
  2. orbitaalkvantarv l, mille võimalikud väärtused on 0, 1, 2, ... , n-1. Orbitaalkvantarve tähistatakse ka sümbolitega s, p d, f, ...
  3. magnetkvantarv m, mille võimalikud väärtused on -l, -(l-1), -(l-2), ... , 0, ... l-2, l-1, l
  4. spinn s, millel on kaks võimalikku väärtust: +1/2, -1/2. Spinni väärtust väljendatakse ka sõnades "üles" ja "alla".

Kvantarvud n ja l määravad vastaval elektronkihi ja alamelektronkihi. Et elektroni energa sõltub peamiselt viimasest kahest kvantarvust, siis räägitakse aatomorbitaalidest tihti vaid nende kahe kvantarvu mõistes. Täpse aatomorbitaali määramisel tuleb siiski arvesse võtta ka magnetkvantarvu ja elektroni spinni.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]