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, diskreetsed kvantolekud aatomi elektronkattes, mis on määratud elektroni lainefunktsiooniga. Erinevatel orbitaalidel on erinev energia. Aatomituumale lähemal on orbitaali energia kõige madalam, eemaldudes tuumast energia suureneb kvantide võrra.

Orbitaaliks nimetatakse sellist ala (ruumiosa) aatomis, kus elektroni leidumise tõenäosus on suur. Orbitaal näitab elektroni liikumisel tekkiva elektronpilve kuju. See kuju on lihtsustatud mudel ja selguse huvides tavaliselt näidatud lainefunktsiooni piirpinnana, ruumiosana, kus elektroni leidumise tõenäosus on suur - 90..95%. Tegelikult võib elektron asuda suuremas ruumiosas aga selle tõenäosus on väike. Elektron liigub põhiliselt vaid orbitaali määratud alas, kui pidada orbitaali all silmas vaid piirpinnaga määratud tinglikku osa. Väljaspoole seda "orbitaali" üldistust satub ta üsna harva. Definitsiooni järgi asub elektron tuuma mõjuväljas olles alati aatomiorbitaalil (Orbitaal on tegelikult pilve moodi ähmase äärealaga ruumiline kujund, mille kujutamine oleks oma ebamäärasuse tõttu väga ebaselge). Elektron ei saa aga asuda piirkonnas, kus lainefunktsiooni väärtus on null. Näiteks p-orbitaalide puhul võib vaadelda tasapinda, mis eristab orbitaali kahte poolt. Seda tasapinda nimetatakse nodaalpinnaks ehk sõlmpinnaks. Seda pinda aatomi tuuma kohal läbides muutub p-orbitaali lainefuntsiooni märk vastupidiseks. [1] Joonistel kujutatakse erineva märgiga lainefuntsiooni osad, mis eristuvad teineteisest sõlmpinnaga erinevate vävide või tumedusega.

Idee, et elektronid liiguvad orbiidilaadsetel trajektooridel aatomi sees, pakuti esmakordselt välja aastal 1904. Aastatel 1913–1926 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 Pauli keeluprintsiibi tõttu 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. Teisisõnu ühe paari moodustavad elektronid on erineva spinniga. 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° 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 vastavalt elektronkihi ja alamelektronkihi. Et elektroni energia 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 | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Orgaaniline keemia : õpik kõrgkoolidele / Francis A. Carey, Robert M. Giuliano ; [tõlge eesti keelde Kristin Lippur ... jt. ; toimetaja Tõnis Kanger ; kaanekujundaja Tiia Eikholm ; kaanefoto: Heiti Paves], Tallinna Tehnikaülikooli Kirjastus, 2014 1296 lk. http://www.ester.ee/record=b3084143*est (vaata lk 4 ja 5)