CÁC OBITAN NGUYÊN TỬ: CHÚNG BAO GỒM NHỮNG GÌ VÀ LOẠI - HÓA HỌC - 2026

Các obitan nguyên tử là những vùng của nguyên tử được xác định bởi một hàm sóng đối với các electron. Hàm sóng là biểu thức toán học thu được từ việc giải phương trình Schrödinger. Chúng mô tả trạng thái năng lượng của một hoặc nhiều electron trong không gian, cũng như xác suất tìm thấy nó.

Khái niệm vật lý này, được các nhà hóa học áp dụng để hiểu liên kết và bảng tuần hoàn, coi electron như một sóng và một hạt đồng thời. Do đó, hình ảnh của hệ mặt trời bị loại bỏ, nơi các electron là hành tinh quay theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân hoặc mặt trời.

Nguồn: Bởi haade, qua Wikimedia Commons

Hình dung lỗi thời này có ích khi minh họa các mức năng lượng của nguyên tử. Ví dụ: một vòng tròn được bao quanh bởi các vòng đồng tâm đại diện cho các quỹ đạo, và các điện tử tĩnh của chúng. Trên thực tế, đây là hình ảnh mà nguyên tử được giới thiệu với trẻ em và thanh niên.

Tuy nhiên, cấu trúc nguyên tử thực sự quá phức tạp để có thể hình dung sơ bộ về nó.

Khi đó, coi electron như một hạt sóng, và giải phương trình vi phân Schrödinger cho nguyên tử hydro (hệ đơn giản nhất trong tất cả), người ta thu được các số lượng tử nổi tiếng.

Những con số này chỉ ra rằng các electron không thể chiếm bất kỳ vị trí nào trong nguyên tử, mà chỉ là những electron tuân theo một mức năng lượng rời rạc và lượng tử hóa. Biểu thức toán học ở trên được gọi là một hàm sóng.

Do đó, từ nguyên tử hydro, một loạt các trạng thái năng lượng được điều chỉnh bởi các số lượng tử đã được ước tính. Các trạng thái năng lượng này được gọi là obitan nguyên tử.

Nhưng, những điều này chỉ mô tả vị trí của một electron trong nguyên tử hydro. Đối với các nguyên tử khác, đa điện tử, từ heli trở đi, một phép gần đúng quỹ đạo đã được thực hiện. Tại sao? Bởi vì việc giải phương trình Schrödinger cho các nguyên tử có từ hai electron trở lên là rất phức tạp (ngay cả với công nghệ hiện nay).

Obitan nguyên tử là gì?

Các obitan nguyên tử là các hàm sóng bao gồm hai thành phần: một hướng tâm và một góc. Biểu thức toán học này được viết dưới dạng:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _LML (θφ)

Mặc dù thoạt nghe có vẻ phức tạp nhưng hãy lưu ý rằng các số lượng tử n, l và ml được biểu thị bằng các chữ cái nhỏ. Điều này có nghĩa là ba con số này mô tả quỹ đạo. R _nl (r), hay còn được gọi là hàm xuyên tâm, phụ thuộc vào nyl; trong khi Y _LML (θφ), chức năng góc, phụ thuộc vào l và ml.

Trong phương trình toán học cũng có các biến r, khoảng cách tới hạt nhân, θ và ϕ. Kết quả của tất cả các tập phương trình này là một biểu diễn vật lý của các obitan. Cái nào? Cái được thấy trong hình trên. Có một loạt các obitan được hiển thị sẽ được giải thích trong các phần sau.

Hình dạng và thiết kế của chúng (không phải màu sắc) đến từ việc vẽ đồ thị các hàm sóng và các thành phần hướng tâm và góc của chúng trong không gian.

Chức năng sóng xuyên tâm

Như đã thấy trong phương trình, R _nl (r) phụ thuộc vào cả n và l. Vì vậy, hàm sóng xuyên tâm được mô tả bằng mức năng lượng chính và các mức phân chia lại của nó.

Nếu electron có thể được chụp ảnh bất kể hướng của nó, thì có thể quan sát thấy một điểm nhỏ vô hạn. Sau đó, chụp hàng triệu bức ảnh, có thể chi tiết cách đám mây điểm thay đổi như một hàm của khoảng cách đến lõi.

Bằng cách này, mật độ của đám mây ở xa và gần lõi có thể được so sánh. Nếu thao tác tương tự được lặp lại nhưng với mức năng lượng hoặc mức năng lượng khác, một đám mây khác sẽ hình thành bao quanh đám mây trước đó. Giữa chúng có một khoảng trống nhỏ mà electron không bao giờ định vị được; đây là những gì được gọi là một nút xuyên tâm.

Ngoài ra, trong các đám mây có những vùng có mật độ electron cao hơn và thấp hơn. Khi chúng lớn hơn và xa hạt nhân hơn, chúng có nhiều nút hướng tâm hơn; và hơn nữa, một khoảng cách r mà electron quay vòng thường xuyên hơn và có nhiều khả năng được tìm thấy hơn.

Chức năng sóng góc

Một lần nữa, nó được biết đến từ phương trình mà Y _LML (θφ) được mô tả chủ yếu do số lượng tử l và ml. Lần này nó tham gia vào số lượng tử từ, do đó, hướng của electron trong không gian được xác định; và hướng này có thể được vẽ đồ thị từ các phương trình toán học liên quan đến các biến θ và ϕ.

Bây giờ, chúng ta không tiến hành chụp ảnh mà quay video về đường đi của electron trong nguyên tử. Trái ngược với thí nghiệm trước, người ta không biết chính xác vị trí của electron, nhưng nó sẽ đi về đâu.

Khi electron di chuyển, nó mô tả một đám mây xác định hơn; trên thực tế, một hình cầu, hoặc một hình có các thùy, giống như những hình được thấy trong hình. Loại hình và hướng của chúng trong không gian được mô tả bằng l và ml.

Có những vùng, gần hạt nhân, nơi electron không chuyển tiếp và hình biến mất. Các vùng như vậy được gọi là các nút góc.

Ví dụ, nếu bạn nhìn vào quỹ đạo hình cầu đầu tiên, bạn nhanh chóng đi đến kết luận rằng nó đối xứng theo mọi hướng; tuy nhiên, đây không phải là trường hợp của các obitan khác, mà hình dạng của chúng tiết lộ không gian trống. Chúng có thể được quan sát tại gốc của mặt phẳng Descartes, và trong mặt phẳng tưởng tượng giữa các thùy.

Xác suất tìm thấy electron và liên kết hóa học

Nguồn: Theo CK-12 Foundation (File: High School Chemistry.pdf, trang 265), qua Wikimedia Commons

Để xác định xác suất thực sự tìm thấy một electron trong một quỹ đạo, phải xét hai hàm: xuyên tâm và góc. Do đó, không đủ để giả định thành phần góc, tức là hình dạng minh họa của các obitan, mà còn cả mật độ electron của chúng thay đổi như thế nào đối với khoảng cách từ hạt nhân.

Tuy nhiên, vì các hướng (ml) phân biệt một quỹ đạo này với một quỹ đạo khác, nên thực tế (mặc dù có lẽ không hoàn toàn đúng) nếu chỉ xem xét hình dạng của quỹ đạo. Bằng cách này, mô tả liên kết hóa học được giải thích bằng sự chồng chéo của các hình này.

Ví dụ, trên đây là hình ảnh so sánh của ba obitan: 1s, 2s và 3s. Lưu ý các nút hướng tâm của nó bên trong. Quỹ đạo 1s không có nút, trong khi hai quỹ đạo còn lại có một và hai nút.

Khi xem xét một liên kết hóa học, dễ dàng hơn là chỉ ghi nhớ hình dạng hình cầu của các obitan này. Bằng cách này, quỹ đạo ns tiến đến một quỹ đạo khác, và ở khoảng cách r, điện tử sẽ tạo liên kết với điện tử của nguyên tử lân cận. Từ đây một số nhà lý thuyết nảy sinh (TEV và TOM) giải thích mối liên hệ này.

Chúng được ký hiệu như thế nào?

Các obitan nguyên tử được ký hiệu rõ ràng là: nl _ml .

Số lượng tử nhận các giá trị nguyên 0, 1, 2, v.v., nhưng để tượng trưng cho các obitan chỉ còn lại một giá trị số n. Trong khi đối với l, toàn bộ số được thay thế bằng chữ cái tương ứng của nó (s, p, d, f); và đối với ml, một biến số hoặc công thức toán học (ngoại trừ ml = 0).

Ví dụ, đối với quỹ đạo 1s: n = 1, s = 0 và ml = 0. Điều tương tự cũng áp dụng cho tất cả các obitan ns (2s, 3s, 4s, v.v.).

Để tượng trưng cho phần còn lại của các obitan, cần phải đề cập đến các loại của chúng, mỗi loại có mức năng lượng và đặc điểm riêng.

Các loại

Quỹ đạo s

Các số lượng tử l = 0 và ml = 0 (ngoài các thành phần góc và góc của chúng) mô tả một quỹ đạo có dạng hình cầu. Đây là cái đứng đầu kim tự tháp quỹ đạo của hình ảnh ban đầu. Ngoài ra, như đã thấy trong hình ảnh của các nút xuyên tâm, có thể mong đợi rằng các obitan 4s, 5s và 6 có 3, 4 và 5 nút.

Chúng có đặc điểm là đối xứng và các electron của chúng mang điện tích hạt nhân hiệu dụng lớn hơn. Điều này là do các điện tử của nó có thể xuyên qua các lớp vỏ bên trong và bay rất gần hạt nhân, điều này tạo ra một lực hút dương lên chúng.

Do đó, có một xác suất để một điện tử 3s có thể xuyên qua quỹ đạo 2s và 1s, đến gần hạt nhân. Thực tế này giải thích tại sao nguyên tử có obitan lai hóa sp lại có độ âm điện lớn hơn (có xu hướng hút mật độ điện tử từ các nguyên tử lân cận của nó) hơn nguyên tử có lai hóa sp ³ .

Do đó, các electron trong obitan s là những electron chịu điện tích hạt nhân nhiều nhất và bền về mặt năng lượng hơn. Cùng với nhau, chúng tạo ra hiệu ứng che chắn cho các điện tử trong các cấp độ phân chia lại hoặc các obitan khác; nghĩa là, chúng làm giảm điện tích hạt nhân thực tế Z mà các electron lớp ngoài cùng phải chịu.

Quỹ đạo p

Nguồn: David Manthey qua Wikipedia

Các obitan p có số lượng tử l = 1, và với các giá trị ml = -1, 0, +1. Tức là một electron trong các obitan này có thể đi theo ba hướng, được biểu diễn dưới dạng quả tạ màu vàng (theo hình trên).

Lưu ý rằng mỗi quả tạ nằm dọc theo trục Descartes x, y và z. Do đó, quỹ đạo p nằm trên trục x được ký hiệu là p _x ; cái trên trục y, p _y ; và nếu nó vuông góc với mặt phẳng xy, tức là, trên trục z, thì nó là p _z .

Tất cả các obitan đều vuông góc với nhau, nghĩa là chúng tạo thành một góc 90º. Tương tự như vậy, hàm góc biến mất trong hạt nhân (gốc của trục Descartes), và chỉ có xác suất tìm thấy electron trong các thùy (mà mật độ electron phụ thuộc vào hàm hướng tâm).

Hiệu quả che chắn kém

Các electron trong các obitan này không thể xuyên qua các lớp vỏ bên trong dễ dàng như các obitan s. So sánh hình dạng của chúng, các obitan p có vẻ gần hạt nhân hơn; tuy nhiên, các electron ns được tìm thấy thường xuyên hơn xung quanh hạt nhân.

Hậu quả của việc trên là gì? Một electron np chịu điện tích hạt nhân hiệu dụng thấp hơn. Hơn nữa, giá trị sau còn bị giảm đi do hiệu ứng che chắn của các obitan s. Điều này giải thích, chẳng hạn, tại sao nguyên tử có obitan lai hóa sp ^{3 lại} có độ âm điện nhỏ hơn nguyên tử có obitan lai hóa sp ² hoặc sp.

Cũng cần lưu ý rằng mỗi quả tạ có một mặt phẳng nút góc, nhưng không có nút hướng tâm (chỉ có các obitan 2p). Có nghĩa là, nếu nó được cắt lát, sẽ không có lớp bên trong như với quỹ đạo 2s; nhưng từ quỹ đạo 3p trở đi, các nút hướng tâm sẽ bắt đầu được quan sát thấy.

Các nút góc này là nguyên nhân làm cho các điện tử ngoài cùng chịu tác dụng che chắn kém. Ví dụ, các electron 2s che chắn những electron ở obitan 2p tốt hơn electron 2p che chắn cho những electron ở obitan 3s.

Px, Py và Pz

Vì các giá trị của ml là -1, 0 và +1, mỗi giá trị đại diện cho một obitan Px, Py hoặc Pz. Tổng cộng, chúng có thể chứa sáu electron (hai cho mỗi quỹ đạo). Thực tế này rất quan trọng để hiểu cấu hình điện tử, bảng tuần hoàn và các nguyên tố tạo nên cái gọi là khối p.

Quỹ đạo d

Nguồn: Bởi Hanilakkis0528, từ Wikimedia Commons

Các obitan d có giá trị l = 2 và ml = -2, -1, 0, +1, +2. Do đó, có năm obitan có khả năng chứa tổng cộng mười electron. Năm hàm góc của obitan d được biểu diễn trong hình trên.

Các quỹ đạo đầu tiên, các obitan 3d, thiếu các nút hướng tâm, nhưng tất cả các quỹ đạo khác, ngoại trừ quỹ đạo d _z2 , có hai mặt phẳng nút; không phải các mặt phẳng của hình ảnh, vì chúng chỉ hiển thị các thùy màu cam với hình dạng của lá cỏ ba lá nằm ở trục nào. Hai mặt phẳng nút là hai mặt phẳng phân giác vuông góc với mặt phẳng xám.

Hình dạng của chúng khiến chúng thậm chí còn kém hiệu quả hơn trong việc che chắn điện tích hạt nhân. Tại sao? Vì chúng có nhiều nút hơn, qua đó hạt nhân có thể hút các electron bên ngoài.

Do đó, tất cả các obitan d góp phần làm tăng ít rõ rệt bán kính nguyên tử từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác.

Quỹ đạo f

Nguồn: Bởi Geek3, từ Wikimedia Commons

Cuối cùng, các obitan f có số lượng tử với các giá trị l = 3, và ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Có bảy obitan f, với tổng số mười bốn electron. Các quỹ đạo này trở nên sẵn có từ chu kỳ 6, được ký hiệu bề ngoài là 4f.

Mỗi hàm góc đại diện cho các thùy với hình dạng phức tạp và một số mặt phẳng nút. Do đó, chúng che chắn các electron bên ngoài thậm chí ít hơn và hiện tượng này giải thích hiện tượng được gọi là sự co lại của lanthanide.

Vì lý do đó, đối với các nguyên tử nặng không có sự biến đổi rõ rệt về bán kính nguyên tử của chúng từ mức n này sang mức n + 1 khác (ví dụ từ 6n đến 7n). Cho đến nay, các obitan 5f là obitan cuối cùng được tìm thấy trong các nguyên tử tự nhiên hoặc nhân tạo.

Với tất cả những điều này trong tâm trí, một hố sâu sẽ mở ra giữa những gì được gọi là quỹ đạo và các quỹ đạo. Mặc dù về mặt văn bản chúng giống nhau nhưng trên thực tế chúng rất khác nhau.

Khái niệm về quỹ đạo nguyên tử và tính gần đúng của quỹ đạo đã cho phép chúng ta giải thích liên kết hóa học, và bằng cách này hay cách khác, nó có thể ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử như thế nào.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư., Tr. 13-8). Đồi Mc Graw.
2. Harry B. Gray. (Năm 1965). Electron và liên kết hóa học. WA Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube. (sf). Các obitan nguyên tử và số lượng tử. Được khôi phục từ: quimitube.com
4. Nave CR (2016). Hình dung quỹ đạo điện tử. Đã khôi phục từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Quỹ đạo nguyên tử. Được khôi phục từ: chemguide.co.uk
6. Câu chuyện lượng tử. (Ngày 26 tháng 8 năm 2011). Các obitan nguyên tử, một lời nói dối trung học. Phục hồi từ: cuentos-cuanticos.com