Hidrojen Atom Orbitalleri Açıklandı: Elektron Bulutları, Orbitler Değil

Gezegen resminin neden başarısız olduğu

Bir gezegen, kalemle izleyebileceğin belirli bir yolu takip eder. Bir atomdaki elektron ise bunu yapmaz. Kuantum mekaniği elektronu, ψ ile gösterilen bir dalga fonksiyonuyla tanımlar ve ölçümle bağlantılı olan nicelik |ψ|², olasılık özkütlesidir. Bu, baktığında elektronu her noktaya yakın bir yerde bulma olasılığının ne kadar olduğunu gösterir.

Bu nedenle bir orbital bir yörünge değildir. Elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu yerlerin bir haritasıdır. Yoğun bir merkezi olan bulanık bir bulut gördüğünde, daha parlak bölgeler daha yüksek olasılık anlamına gelir ve noktalar hareketi izlemez. Hidrojen için gösterilen durumlar durağandır: bulut dönüp durmaz, yalnızca vardır.

Temel durum: küresel bir bulut.

Hidrojenin en düşük enerjili durumuna 1s adı verilir. Bu durumun bulutu bir top şeklindedir; çekirdeğin yakınında en yoğundur ve uzaklık arttıkça düzgün bir şekilde seyrekleşir. Keskin bir sınırı yoktur. Bulut yalnızca çok silik hâle gelir.

Buluttan örnekler almak bu fikri somutlaştırır. |ψ|² ile ağırlıklandırılmış çok sayıda rastgele konum seçtiğinde noktalardan oluşan bir top ortaya çıkar. Tek bir noktanın bir anlamı yoktur; fiziksel içeriği gösteren şey genel örüntüdür.

Üç kuantum sayısı şekli tanımlar.

Her hidrojen durumu tam sayılarla etiketlenir:

• n, baş kuantum sayısıdır (1, 2, 3, ...). Genel boyutu ve enerjiyi belirler.
• l, 0'dan n − 1'e kadar değer alır. Şekli belirler: s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2).
• m, −l'den +l'ye kadar değer alır. Yönelimi belirler.

Bu nedenle n = 2 olduğunda 2s ve üç tane 2p orbitali olabilir. n = 3 olduğunda d orbitalleri de eklenir. n = 3, l = 2, m = 2 gibi bir birleşime izin verilir; l değeri n − 1'den büyük olan bir birleşime ise izin verilmez.

Benzetim, ±m durumlarının birleşimlerinden oluşturulan orbitallerin gerçek değerli sürümlerini kullanır. Bunlar geçerli durağan durumlardır; bu nedenle tanıdık eksenler boyunca uzanan loblar görürsün.

Düğümler: elektronun asla bulunmadığı yerler.

Bir düğüm, dalga fonksiyonunun sıfır olduğu ve elektronu orada bulma olasılığının yok olduğu yerdir. İki türü vardır.

Radyal düğümler

Bunlar belirli uzaklıklardaki küresel kabuklardır. Sayıları n − l − 1 kadardır. 2s orbitali bir tane düğüme sahiptir: iç bölge ile dış bölge, özkütlenin sıfır olduğu bir küreyle birbirinden ayrılır. 2s için bu küre, a₀'nin Bohr yarıçapı olduğu durumda, 2a₀ yarıçapında bulunur.

Açısal düğümler

Bunlar düzlemler veya konilerdir ve l tane bulunur. 2p orbitalinde bir tane vardır; bu, çekirdeğin içinden geçen bir düzlemdir. İki lob karşıt taraflarda yer alır ve dalga fonksiyonlarının işaretleri birbirinin tersidir.

Görsellerdeki renk, elektrik yükünü değil, ψ'nin işaretini gösterir. Dalgalar üst üste geldiğinde işaret önem kazanır; kimyasal bağlanmanın temeli budur.

Enerji, yalnızca n değerine bağlıdır (bu modelde).

Basit, göreli olmayan modelde hidrojen için enerji yalnızca n'ye bağlıdır:

Eₙ = −1/(2n²) Hartree

Eksi işareti, elektronun bağlı olduğu anlamına gelir. n büyüdükçe enerji sıfıra doğru yükselir ve bulut büyür. Farklı l veya m değerlerine sahip, aynı n'li durumlar farklı şekillere sahip olsa da aynı enerjiye sahiptir; bu duruma dejenerasyon denir.

Bu düzgün sonuç, tek elektronlu Coulomb modeline aittir. Birden fazla elektrona sahip atomlarda ya da ince yapı veya dış alanlar hesaba katıldığında, farklı şekillere ait enerjiler birbirinden ayrılır.

Yaygın yanlış kanılar

• "Elektron noktaların etrafında hareket eder." Noktalar bir yörüngeyi değil, olasılık örneklerini gösterir.
• "Bulutun keskin bir kenarı vardır." Bulut yavaş yavaş silikleşir.
• "Kırmızı ve mavi, pozitif ve negatif yük anlamına gelir." Bunlar dalga fonksiyonunun işaretini gösterir.
• "Daha çok lob her zaman daha çok enerji demektir." Hidrojenin basit modelinde enerji n'ye bağlıdır.
• "Kuantum, her şey olabilir demektir." Olasılıklar kesin ve hesaplanabilirdir.

Bunu laboratuvarda nasıl inceleyebilirsiniz?

Quantum Lab basitleştirilmiş bir öğretim modelidir; ancak bulutlar gerçek hidrojen dalga fonksiyonlarından gelir. Önerilen ücretsiz ders sırası:

1. Bir bulut bir olasılıktır — 1s durumunu görmek için.
2. Küresel bir düğüm — 2s'teki boş kabuğu bulmak için.
3. İki lob ve bir düzlem — 2p orbitali için.
4. Daha fazla yapı, aynı kural — n = 3 için.
5. Farklı şekiller, tek enerji — enerji merdivenini karşılaştırmak için.

Bundan önce ele alınan kabuklar ve bağlanma için Chemistry Lab iyi bir yardımcıdır.