La beauté qui nous est cachée

A chacun son goût, c'est beau.
Cicéron

Qui sommes-nous et que nous cachent-ils ? Nous parlerons des chimistes, mais cela s'applique à tout le monde. Au cours de notre voyage, nous aurons besoin d'un guide ou d'une carte de la région afin d'atteindre rapidement le but caché. Un chimiste a toujours un tel guide à portée de main : le tableau périodique. La suite de l'histoire deviendra beaucoup plus intéressante si vous avez ce tableau à portée de main.

Imaginez que vous ayez rencontré une personne intéressante auprès de laquelle vous apprenez constamment des informations inhabituelles et intéressantes. Au début, il suffira amplement de recevoir des informations intéressantes, mais peu à peu vous vous intéresserez à cette personne elle-même. Vous voudrez connaître ses goûts, ses opinions, ses affections, comment il vit.

Dans notre article, les électrons fournissent des informations. Ce sont eux (principalement les électrons de valence) qui déterminent le comportement des substances formées d'éléments chimiques et la variété infinie de leurs transformations chimiques. Considérons les conditions dans lesquelles vivent les électrons. On ne peut pas dire que quelqu’un nous cache l’architecture de sa maison, mais peu de gens connaissent la véritable image.

La nature est une excellente créatrice

Rappelez-vous que la région de l’espace occupée par un électron dans un atome ou une molécule est appelée orbitale. Non seulement le concept d'orbitales lui-même est devenu familier et même populaire, mais aussi leur apparence, que l'on peut parfois voir sur les couvertures de livres. Par exemple, sur la couverture de l'un des manuels de chimie de l'école, il y a un diagramme d'une molécule d'eau, et un tracé similaire est un diagramme d'une molécule de méthane (Fig. 1).

Les deux modèles sont très attrayants. Les orbitales situées à l'intérieur du tétraèdre, ressemblant à des ballons allongés, sont en contact avec les orbitales sphériques.

Dans la molécule de méthane, il existe des orbitales moléculaires, mais nous nous concentrerons sur des objets plus simples : les orbitales atomiques. Où se trouvent les électrons dans les atomes isolés qui ne sont pas reliés par des liaisons chimiques ? Après avoir admiré les images présentées, mettons nos émotions de côté et ajoutons une note triste : les véritables orbitales moléculaires du méthane sont très différentes en apparence de ce qui est montré sur la plupart des images. Nous parlerons de pourquoi cela s'est produit un peu plus tard.

Comment sont-ils réellement ?

Ainsi, un électron se déplace dans un atome autour du noyau non pas le long d'une ligne fixe - une orbite, mais occupe une certaine région de l'espace. Auparavant, ils utilisaient le terme « orbite », mais en sont progressivement venus à l’idée que l’orbite (de lat. orbite– piste) est une ligne dans l’espace. Par exemple, notre planète se déplace autour du Soleil sur l’orbite terrestre. La région où se trouve un électron n'est pas une ligne, mais une certaine partie volumétrique de l'espace, c'est pourquoi le terme « orbitale » a commencé à être utilisé. La particularité du concept « orbital » est que cette partie de l'espace n'a pas de limites claires, elle est floue. Par exemple, un électron dans un atome d'hydrogène (Fig. 2a) peut, avec une certaine probabilité, être soit très proche du noyau, soit à une distance considérable (les points indiquant l'emplacement aléatoire de l'électron sont plus denses dans une certaine région) .

Il existe une région de l’espace où l’électron est le plus susceptible de se trouver. Pour des raisons de clarté, l'orbitale est limitée à une surface qui délimite la région de l'espace où la probabilité d'apparition d'un électron est la plus grande, en d'autres termes, où la densité électronique est maximale (Fig. 2b). Ainsi, l'orbitale doit être perçue comme une sorte de corps volumétrique, à l'intérieur duquel se trouve l'électron avec une probabilité de 95 %.

L'orbitale électronique de l'atome d'hydrogène a une forme sphérique (sphérique), par conséquent, la densité électronique dans la direction de chaque axe de coordonnées tridimensionnelles est la même (Fig. 3). C'est ce qu'on appelle s-orbital.

A ce jour, cinq types d'orbitales ont été décrits : s, p, ré, f Et g. Les noms des trois premiers ont été formés historiquement, puis le principe alphabétique a été choisi, ces lettres n'ont donc aucune signification cachée. Les orbitales existent, qu'elles contiennent des électrons (orbitales occupées) ou qu'elles soient absentes (orbitales vacantes). Il est intéressant de noter que l'atome de chaque élément, en commençant par l'hydrogène et en terminant par le dernier élément obtenu aujourd'hui, possède un ensemble complet de toutes les orbitales à tous les niveaux d'énergie, et leur remplissage en électrons se produit à mesure que le numéro atomique de l'élément augmente, c'est-à-dire charge du noyau d'un atome.

L'atome de chaque élément chimique contient s-orbitales, avec une à chaque niveau d'énergie orbitales. Ils ont tous une forme sphérique, mais c'est là que la nature a préparé une surprise. Si au premier niveau d'énergie s-orbital est un corps solide, puis sur la seconde c'est une sphère dans une sphère, et sur la troisième il y a trois sphères emboîtées les unes dans les autres (Fig. 4).

Ainsi, le numéro du niveau d'énergie est codé dans le s-orbitales utilisant le nombre de couches internes (rappelant un code-barres caché). Quelle est la signification physique d’une structure multicouche ? Le fait est que dans les espaces entre les couches sphériques, les électrons apparaissent extrêmement rarement, en d'autres termes, dans ces espaces, la densité électronique est extrêmement faible. Il a été dit plus tôt que l'orbitale est représentée en utilisant la région de l'espace où la densité électronique est maximale, par conséquent, les endroits à faible densité sont des vides.

À propos, le troisième niveau d'énergie commence à être rempli dans les éléments de la troisième période du système périodique (le deuxième niveau - dans les éléments de la deuxième période, le quatrième niveau - dans les éléments de la quatrième période, etc. ). Ainsi, la Nature a crypté deux fois la même information - en nombre de périodes et en nombre de couches dans s-orbitales.

En plus s- les orbitales existent aussi R.-orbitales. Trois de ces orbitales apparaissent pour la première fois au deuxième niveau d'énergie. À chaque niveau suivant, il y en a toujours trois. Peu importe ce qu'ils ont appelé R.-orbitales - toutes deux équipées d'hélices bipales et d'haltères ; Désormais, le nom « huit volumétriques » a été établi. Les trois orbitales sont identiques en apparence, mais sont orientées différemment dans l’espace. Leur densité électronique maximale est concentrée le long de l'un des trois axes de coordonnées - X, oui ou z(Fig.5). C'est exactement à quoi ressemble la région de l'emplacement le plus probable d'un électron lorsqu'il se dépose sur R.-orbitales.

Ces orbitales sont représentées de cette manière dans tous les manuels. Il est intéressant de noter que la forme réelle de ces orbitales (Fig. 6) diffère nettement de celle généralement acceptée (voir Fig. 5).

Ils ne ressemblent pas du tout à des gouttes allongées, mais plutôt à des petits pains ou à des boutons. C'est dans ces orbitales que se situent les électrons des éléments de la deuxième période du tableau périodique, commençant par le bore et se terminant par le néon. Il est tout à fait logique que ces éléments soient appelés R.-éléments. Habituellement dans la table de D.I. Mendeleïev R.-les éléments sont mis en évidence avec une couleur spéciale. Au troisième niveau d'énergie, il y a aussi R.-orbitales, mais leur apparence est quelque peu différente de leurs « parents » vivant au « deuxième étage » (Fig. 7). U 3 R.-orbitales, une «jupe» apparaît, l'ensemble du design est similaire à une lampe de table antique, seulement en apparence double. Ces orbitales se remplissent progressivement d'électrons allant de l'aluminium à l'argon, elles sont aussi appelées R.-éléments. Dans le tableau périodique, ils ont exactement la même couleur que R.-des éléments de la deuxième période.

En passant au quatrième niveau d'énergie, la «jupe» devient plus compliquée, ce sont maintenant des champignons typiques (Fig. 8), cependant, certains scientifiques dotés d'une imagination développée les appellent méduses.

Ainsi, lorsque vous passez à chaque niveau suivant, non seulement l'apparence change s-les orbitales acquérant une structure multicouche, mais aussi R.-des orbitales dont la partie rétrécie devient plus complexe. Comment les scientifiques ont-ils pu voir et représenter des formes aussi inhabituelles ? C’est le résultat de calculs effectués à l’aide de méthodes de chimie quantique. La correspondance des calculs avec la réalité est confirmée par des études de structure.

Pourquoi sont-ils si déformés ? R.-des orbitales représentées dans les livres ? Il n’y a ici aucune intention malveillante, c’est le résultat d’une simplification. Pour expliquer les interactions qui se produisent, il suffit amplement d'indiquer la localisation spatiale des orbitales et leurs contours approximatifs. De plus, la forme en forme de goutte est beaucoup plus facile à représenter et, avec son aide, il est plus pratique de transmettre le chevauchement des orbitales qui se produit lors de la formation de liaisons chimiques. Prenons un exemple plus proche de nous. Lorsque nous écrivons une équation de réaction, nous représentons les atomes à l’aide de symboles d’éléments chimiques. Dans le même temps, nous ne représentons pas tous les électrons à proximité de chacun d'eux et n'indiquons pas lequel des électrons R., Lequel alors - s. Dans la plupart des cas, cela n'est pas obligatoire. Si un tel besoin s'en fait sentir, par exemple, une paire d'électrons est introduite dans le schéma réactionnel pour réaliser une liaison covalente.

Cependant, les véritables formes des orbitales sont importantes et sont prises en compte dans des calculs complexes prenant en compte les interactions spatiales des orbitales.

Seuls de rares passionnés se lancent dans ce travail difficile. Grâce à leurs efforts, nous pouvons voir à quoi tout ressemble réellement et en même temps apprécier l'étrange fantaisie de la nature.

Chacun préfère ses propres orbitales

Si le formulaire R.-les orbitales sont le plus souvent abordées dans les manuels de chimie organique, puis ce qui suit d-Les orbitales sont un sujet de prédilection en chimie de coordination, qui examine les propriétés des composés complexes. Ces orbitales apparaissent au troisième niveau d'énergie. À ce niveau et à tous les niveaux suivants, il y en a toujours cinq. d-Les orbitales commencent à être peuplées d'électrons provenant d'éléments de la quatrième période, appelés éléments de transition (plus souvent appelés
d-éléments), commençant par le scandium et se terminant par le zinc. Dans le tableau périodique d-les éléments sont peints dans une couleur différente de s- Et R.-éléments. Formulaire d-les orbitales sont un peu plus complexes que celles de R.-orbitales. Quatre d-les orbitales ont le même aspect (une hélice quadripale, plus précisément quatre gouttes disposées en croix), mais sont orientées différemment dans l'espace. Cinquième d-l'orbitale a une forme inhabituelle - un huit tridimensionnel enfilé dans un tore ou, comme on dit dans la vie de tous les jours, un beignet. Habituellement, dans les livres sur la chimie de coordination, ces orbitales sont représentées comme le montre la Fig. 9.

Tous d-les orbitales sont généralement représentées de cette manière, quel que soit le niveau auquel elles appartiennent. La chose la plus intéressante est celle montrée sur la Fig. 9, l'image n'est presque pas différente de la vraie, mais cela ne s'applique qu'aux orbitales de troisième niveau (Fig. 10).

Dans la cinquième période, le remplissage se produit d-orbitales du quatrième niveau d'énergie, en conséquence de nouvelles apparaissent d-éléments, de l'yttrium au cadmium, dans le tableau ils sont colorés exactement de la même manière que d-des éléments de la période précédente. Toute l'histoire précédente nous a préparé au fait que l'apparition 4 d-les orbitales seront légèrement différentes de 3 d-orbitales. C'est effectivement le cas (Fig. 11). La forme en forme de goutte cède la place à une forme en forme de champignon et quelque chose comme des pattes supplémentaires apparaît. Pour similaire 5 d-les orbitales commencent à déposer des électrons d-les éléments de la sixième période, c'est à dire en lanthane et plus loin du hafnium au mercure.

Il n'est désormais plus surprenant que d-les orbitales du cinquième niveau d'énergie ont une forme encore plus complexe (Fig. 12).

Si seulement une image simplifiée d'eux et une discussion purement qualitative de la forme sont nécessaires, alors nous pouvons conditionnellement supposer que tous considérés d-les orbitales ont la forme montrée sur la Fig. 10. Nous avons une agréable occasion de voir à quoi tout ressemble réellement, grâce aux efforts d'un scientifique de l'Université de Sheffield, Mark Winter.

Tout le monde ne l'a pas vu

Au quatrième niveau d'énergie, sept apparaissent F- orbitales, et à chaque niveau suivant, il y en a toujours sept. Ils commencent à être peuplés d'électrons provenant d'éléments appelés lanthanides (également appelés F-éléments), commençant par le cérium et se terminant par le lutécium. Leurs cellules du tableau périodique sont également peintes d'une couleur spéciale. Si toutes les orbitales mentionnées précédemment peuvent être vues sous une forme ou une autre dans divers livres, alors l'apparition F- Peu de gens connaissent les orbitales. Pendant ce temps, purement extérieurement, ils méritent pleinement non seulement d'apparaître sur les pages du livre, mais également de décorer la couverture, mais jugez par vous-même (Fig. 13).

Dans la période suivante du tableau périodique, de nouvelles apparaissent naturellement. F-les éléments, du thorium au lawrencium, ont la forme F- Les orbitales sont encore plus inhabituelles ; un anneau réduit apparaît entre deux gros tores (beignets) (Fig. 14).

Il semblerait que l'imagination spatiale de la nature soit épuisée, mais alors des conceptions encore plus sophistiquées nous attendent.

Le fantasme ultime de la nature

Derrière F- les orbitales suivent neuf g- orbitales. Ils apparaissent au prochain (cinquième) niveau d'énergie, c'est-à-dire en totale conformité avec l'ordre établi - chaque nouveau niveau entraîne avec lui un nouveau type d'orbitales. Il a été dit plus tôt que chaque atome possède un ensemble complet de toutes les orbitales, à commencer par l’hydrogène. Cependant, pour qu'un électron s'installe dans une certaine orbitale supérieure, toutes les orbitales précédentes doivent être remplies (pour plus de détails, voir : Chimie, 2000, n° 22. Éléments chimiques. Réalisations et perspectives). Nous ne pouvons pas encore nommer les éléments qui contiennent des électrons sur g- orbitales, de tels éléments n’ont pas encore été obtenus. Les calculs ont montré que pour la première fois, un électron peut être placé sur cette orbitale au niveau de l'élément chimique n° 125. Cependant, l'attente n'est probablement pas si longue ; l'élément n° 118 a déjà été obtenu aujourd'hui. La série commencera par l'élément. N ° 125 g-éléments (chacun suivant ajoutera un électron par g- orbitales), ces éléments seront fondamentalement nouveaux ; ils n'ont pas d'analogues dans l'ensemble du tableau périodique précédent. Ils ne sont pas si faciles à obtenir, mais il sera encore plus difficile d'étudier leurs propriétés, puisqu'il s'agira très probablement d'éléments radioactifs à courte durée de vie. Sans attendre le moment de leur réception, on peut déjà admirer l'apparence g- orbitales (Fig. 15).

Il est même difficile d’imaginer que la nature ait fourni aux électrons des zones aussi bizarres où se trouve leur emplacement le plus probable. Il n’est pas facile de trouver des images réelles avec lesquelles comparer ces orbitales. Huit conglomérats insolites ressemblant à des grappes de pois et de grains de café, le tout surmonté d'un vaisseau spatial assemblé à partir de cinq tores de tailles différentes, percés de deux corps en forme de goutte. Ces neuf orbitales sont incompréhensiblement placées autour d’un noyau atomique, sans interférer les unes avec les autres. Notre imagination est incapable d'imaginer quelque chose comme ça, car d'autres règles s'appliquent ici : les lois de la mécanique quantique. Bien entendu, notre imagination perd face à une telle réalité.

Pas exactement, mais compréhensible

Revenons à nouveau à la molécule de méthane CH 4 représentée à droite de la figure. 1. L'atome de carbone, comme tous les éléments ultérieurs, possède quatre orbitales au deuxième niveau d'énergie (une s et trois R.). De plus, le carbone possède quatre électrons de valence, dont deux sont situés sur s-des orbitales et un électron de plus sur deux R.-orbitales (Fig. 16, en bas à gauche), troisième R.-l'orbitale carbone n'est pas occupée.

Au moment où un atome de carbone forme quatre liaisons chimiques avec quatre atomes d'hydrogène, les quatre orbitales semblent fusionner, formant des orbitales hybrides (Fig. 16, en haut à droite), qui ont la forme d'un huit asymétrique tridimensionnel (une grosse goutte et une petite queue) . Pour indiquer de quoi sont constituées les orbitales hybrides, ils écrivent généralement :
épisode 3-orbitales, c'est-à-dire obtenues à partir d'une s- et trois R.-orbitales (combien d'orbitales sont impliquées dans la formation des hybrides, le même nombre d'orbitales hybrides sont obtenues).

De telles images peuvent être vues dans tous les manuels de chimie organique, et la véritable apparence des hybrides est montrée sur la Fig. 17. Afin de montrer plus clairement leur forme, les orbitales hybrides ont été représentées à une certaine distance les unes des autres (Fig. 17, à gauche). Pour avoir une vue d'ensemble en réalité, ces orbitales doivent être combinées dans l'espace pour que les quatre points blancs coïncident (c'est là que se trouve le noyau de carbone). Le résultat est présenté sur la Fig. 17, c'est vrai.

De plus, ces quatre orbitales, dirigées vers les sommets d'un tétraèdre imaginaire, se chevauchent avec les orbitales sphériques de quatre atomes d'hydrogène, ce qui correspond à la formation de quatre liaisons chimiques (voir Fig. 1). C'est là que surgissent des difficultés purement graphiques - si vous rapprochez quatre sphères d'une figure constituée de volumes sphériques « collés ensemble » (voir Fig. 17, à droite), alors vous ne pourrez rien distinguer dans une telle image. Tout semble beaucoup plus clair si les orbitales hybrides sont délibérément étirées (voir Fig. 16). Ainsi, la forme réelle des orbitales est constamment déformée par souci de clarté, et il est cependant difficile de s'opposer à quoi que ce soit ici, pour les amateurs de la précision de la figure. 17 vous aidera à imaginer mentalement à quoi tout ressemble réellement.

Les orbitales – une source de créativité

Si les chimistes ne vont généralement pas plus loin dans leur raisonnement d-orbitales, F- Et g- ils s'intéressent moins aux orbitales, puis les gens d'autres professions ont rapidement prêté attention aux deux derniers groupes, principalement en raison de leur extraordinaire attrait architectural. Les artistes appliqués, designers, constructeurs et décorateurs ont apprécié l'imagination de la Nature, qui propose des motifs très atypiques qui dépassent la fiction créative. Les maîtres de l'art de la joaillerie ont trouvé ces objets très intéressants pour créer des bijoux modernes à partir d'eux (Fig. 18).

Les artistes créant des échantillons de meubles, de chaussures et d’appareils électroménagers ne pouvaient ignorer ces images populaires. Désormais, les orbitales sont également visibles sur les emblèmes des villes, d-les orbitales figurent sur l'un des emblèmes pacifistes, et R.-les orbitales ont longtemps servi de modèle dans la fabrication des sabliers (Fig. 19).

Le design orbital est particulièrement beau en architecture, où il orne les supports de ponts et les tours de télévision. D'ailleurs, les formulaires g- les orbitales correspondent avec une précision surprenante aux paramètres idéaux des antennes relais (Fig. 20).

L’ensemble de ce mouvement artistique, appelé design orbital, attire en outre les acheteurs et les clients grâce à la sonorité séduisante du nouveau terme.

Qu'est-ce qui est sérieux et qu'est-ce qui est avec le sourire ?

L’apparence de toutes les orbitales représentées, malgré leur caractère quelque peu fantastique, est le résultat de calculs précis et est tout à fait vraie. Nous donnons aux lecteurs la possibilité de décider par eux-mêmes du sérieux de la tendance à la créativité artistique portant le nom général de « design orbital ». En chimie, il est assez courant de trouver une combinaison de sujets sérieux et humoristiques présentés ensemble. Au cours des années précédentes, les numéros d'avril du journal Khimiya publiaient régulièrement divers documents de ce type. De ces publications, on pourrait apprendre : comment prédire le destin à l'aide du tableau périodique, quels tableaux périodiques existent pour les pharmaciens, les gourmets et les amateurs de boissons diverses, s'il est possible d'utiliser la chimie des polymères pour rendre la procédure de prise de médicaments extrêmement agréable, comment devenir célèbre en chimie, caractéristiques de la communication en direct entre chimistes et bien plus encore.

Systèmes. Dans ce cas, l'orbitale est déterminée par le niveau de Schrödinger à un électron avec un hamiltonien effectif à un électron ; L'énergie orbitale, en règle générale, est en corrélation avec (voir). Selon le système pour lequel l'orbitale est déterminée, on distingue les orbitales atomiques, moléculaires et cristallines.

Les orbitales atomiques (AO) sont caractérisées par trois nombres quantiques : principal n, orbital / et magnétique n. La valeur l = 0, 1, 2,... spécifie le carré du moment orbital (angulaire) (-constante de Planck), la valeur m = l,l - 1,..., +1, 0, - 1 ,..., - l + 1, - l-projection du moment sur un certain axe z sélectionné ; n numérote les énergies orbitales. Les états avec un / donné sont numérotés par des nombres n = l + 1, l + 2,... En sphérique. Le système de coordonnées centré sur le noyau de l'AO a la forme , où et-angles polaires, r-distance du noyau. R nl (r) appelé partie radiale de la société par actions (fonction radiale), et Y lm (q, j)-sphérique. harmonique. Lors de la rotation du système de coordonnées, le sphérique l'harmonique est remplacée par une combinaison linéaire d'harmoniques de même valeur l ; la partie radiale de l'AO ne change pas au cours des virages, et l'énergie correspondant à cette AO est le niveau est (21 + 1) fois dégénéré. Habituellement - l'indice de l'exponentielle orbitale, et Ppl - un polynôme de degré (n - l - 1). En notation abrégée, AO est décrit par le symbole nl m, et n est noté par les nombres 1, 2, 3,..., les valeurs l = 0, 1, 2, 3, 4,... correspondent aux lettres s, p, d, f, g,... ; m sont indiqués en bas à droite, par ex. 2p +1 , 3j -2 .

Les AO contenant des structures sphériques non complexes sont plus pratiques. harmoniques, et leurs combinaisons linéaires ayant . significations. Ces sociétés par actions sont appelées cubique (tesséral). Ils ont la forme , où (x, y, z) est un polynôme homogène (fonction angulaire) de degré l relatif aux coordonnées cartésiennes x, y, z centrés sur le noyau (la direction des axes est arbitraire) ; AO est par exemple désigné par des symboles.

Si le polynôme P nl (r) est déterminé par la solution de l'équation de Schrödinger pour un noyau dans le champ de Coulomb, l'AO est appelé. semblable à l'hydrogène. Naïb. cubique semblable à l’hydrogène. Les AO sont donnés dans le tableau.

ORBITALES DE TYPE HYDROGÈNE s. TYPES p, d, f

En chimie. Les applications affichent souvent des contours AO, qui peuvent être construit différemment. Naïb. soi-disant commun surfaces de phase, sur lesquelles les valeurs cubiques sont représentées. harmoniques (ou sphériques) : à angles polaires donnés, le module de la partie angulaire de l'AO est égal à la distance à l'origine. En figue. 1 montre d'autres surfaces, plus visuelles, avec des abdominaux. les valeurs de certains AO ont une valeur constante. Les deux méthodes de représentation de l’AO sont pratiquement les mêmes uniquement près de l’origine des coordonnées. Dans tous les cas, les signes + et - (ou grisés) indiquent le signe de l'AO dans une zone donnée. Comme toutes les fonctions d'onde, AO peut être multipliée par - 1, ce qui entraînera un changementsigne de fonction, mais ce ne sont pas les signes AO eux-mêmes qui ont du sens,et l'alternance de signes pour le système AO lors de la description de la taupe. orbitales. Graphique l’image d’AO n’a pas toujours de sens. Ainsi, les carrés des modules sont sphériques. les harmoniques ne dépendent pas de l'angle, donc l'image, par exemple, de AO 2p x et 2p y sera complètement différente de l'image de AO 2p + et 2p -, bien que les deux AO soient complètement équivalentes.

Orbitales moléculaires(MO) sont décrits dans le domaine de tous les noyaux et le champ moyen du reste. En règle générale, les MO n’ont pas d’analyte simple. représentations et sont utilisés pour elles (voir). Dans les méthodes qu'ils disent. orbitales, la fonction d'onde multiélectronique est construite comme un produit ou un déterminant composé d'orbitales de spin, c'est-à-dire orbitales multipliées par la fonction de spin ou (voir).

où 0 = 0,372, b = 0,602, est l'orbitale atomique 2p z C i (i = 1, 2, 3, 4). La 1-orbitale a un plan nodal (xy), la 2-orbitale a un plan complémentaire. plan nodal perpendiculaire à ce plan et passant entre

Les propriétés physiques et chimiques des atomes, et par conséquent de la matière dans son ensemble, sont largement déterminées par les caractéristiques du nuage électronique entourant le noyau atomique. Un noyau chargé positivement attire les électrons chargés négativement. Les électrons tournent si rapidement autour du noyau qu’il est impossible de déterminer avec précision leur emplacement. Les électrons se déplaçant autour du noyau peuvent être comparés à un nuage ou à un brouillard, par endroits plus ou moins denses, par endroits complètement clairsemés. La forme du nuage électronique, ainsi que la probabilité de trouver un électron en tout point de celui-ci, peuvent être déterminées en résolvant les équations correspondantesmécanique quantique. Les régions où les électrons sont le plus susceptibles de se trouver sont appelées orbitales. Chaque orbitale est caractérisée par une certaine énergie et ne peut contenir plus de deux électrons. Généralement, les orbitales d'énergie la plus basse les plus proches du noyau sont remplies en premier, puis les orbitales d'énergie plus élevée, etc.

Une collection d’orbitales électroniques avec des énergies similaires forme une couche (c’est-à-dire une coquille ou un niveau d’énergie). Les niveaux d'énergie sont numérotés à partir du noyau de l'atome : 1, 2, 3,... . Plus on s’éloigne du noyau, plus les couches sont spacieuses et plus elles peuvent accueillir d’orbitales et d’électrons. Oui, surn-ème niveau n 2 orbitales, et ils peuvent accueillir jusqu'à 2n 2 des électrons. Dans les éléments connus, les électrons ne se trouvent que dans les sept premiers niveaux et seuls les quatre premiers d'entre eux sont remplis.

Il existe quatre types d'orbitales, elles sont désignéess , p , d Et F . A chaque niveau (couche) il y a uns -orbitale qui contient les électrons les plus étroitement liés au noyau. Suivi de troisp-orbitales, cinq d -orbitales et, enfin, septF-orbitales.

Coquille n	Nombre d'orbitales n 2	Type orbital	Nombre d'électrons 2n 2
		s, p
		s, p, d
		s, p, d, F

s - Les orbitales sont de forme sphériquep – la forme d'un haltère ou de deux sphères se touchant,d-les orbitales ont 4 "pétales", et F -orbitales 8. En coupe transversale, ces orbitales ressemblent approximativement à celle illustrée sur la figure.

Trois R.-les orbitales sont orientées dans l'espace le long des axes du système de coordonnées rectangulaires et sont désignées en conséquencep X, p y Et pz; d- Et F -les orbitales sont également situées à certains angles les unes par rapport aux autres ; sphériques -les orbitales n'ont pas d'orientation spatiale.

Chaque élément suivant dans une période a un numéro atomique supérieur d’une unité à celui de l’élément précédent et contient un électron de plus. Cet électron supplémentaire occupe la prochaine orbitale par ordre croissant. Il faut garder à l’esprit que les couches électroniques sont diffuses et que l’énergie de certaines orbitales des couches externes est inférieure à celle des couches internes. Ainsi, par exemple, il est d'abord remplis -quatrième niveau orbital (4s -orbital), et seulement après, le remplissage de 3 est terminéd -orbitales. L'ordre de remplissage des orbitales est généralement le suivant : 1s , 2 s , 2 p , 3 s , 3 p , 4 s , 3 d , 4 p , 5 s , 4 d , 5 p , 6 s , 4 F , 5 d , 6 p , 7 s . Dans la notation utilisée pour représenter la configuration électronique d'un élément, l'exposant sur la lettre représentant l'orbitale indique le nombre d'électrons dans cette orbitale. Par exemple, enregistrez 1 s 2 2 s 2 2 p 5 signifie que d'ici 1s -l'orbitale d'un atome contient deux électrons, 2s -orbitales deux, sur 2R. cinq électrons. Atomes neutres qui ont 8 électrons dans leur couche électronique externe (c'est-à-dire qui sont rempliss- Et R. -orbitales) sont si stables qu'elles n'entrent pratiquement dans aucune réaction chimique. Ce sont les atomes de gaz inertes. Configuration électronique de l'hélium 1 s 2, néon 2 s 2 2 p 6, Argon 3 s 2 3 p 6, krypton 4 s 2 3 d 10 4 p 6, xénon 5 s 2 4 d 10 5 p 6 et enfin le radon 6 s 2 4 F 14 5 d 10 6 p 6 .

Orbitales

Un examen attentif des spectres atomiques montre que les raies « épaisses » provoquées par les transitions entre les niveaux d’énergie sont en réalité divisées en raies plus fines. Cela signifie que les couches électroniques sont en fait divisées en sous-couches. Les sous-couches électroniques sont désignées par les types de raies qui leur correspondent dans les spectres atomiques :

s-subshell doit son nom à son caractère « pointu » s-lignes - pointu;
p-subshell est nommé d'après le « principal » p-lignes - principal;
d-subshell porte le nom de « diffuse » d-lignes - diffuser;
F-subshell porte le nom du « fondamental » F-lignes - fondamental.

Les lignes provoquées par les transitions entre ces sous-couches subissent une division supplémentaire si les atomes des éléments sont placés dans un champ magnétique externe. Cette division est appelée l'effet Zeeman. Il a été établi expérimentalement que s- la ligne ne se divise pas, R.-la ligne se divise en 3, d-ligne - à 5, F-ligne - à 7.
Selon le principe d’incertitude de Heisenberg, la position et l’impulsion d’un électron ne peuvent pas être déterminées simultanément avec une précision absolue. Cependant, malgré l’impossibilité de déterminer avec précision la position d’un électron, il est possible d’indiquer la probabilité qu’un électron se trouve dans une certaine position à un moment donné. Deux conséquences importantes découlent du principe d'incertitude de Heisenberg.
1. Le mouvement d’un électron dans un atome est un mouvement sans trajectoire. Au lieu d'une trajectoire, un autre concept a été introduit en mécanique quantique : probabilité la présence d'un électron dans une certaine partie du volume d'un atome, qui est en corrélation avec la densité électronique lorsque l'on considère l'électron comme un nuage d'électrons.
2. Un électron ne peut pas tomber sur le noyau. La théorie de Bohr n'explique pas ce phénomène. La mécanique quantique a fourni une explication à ce phénomène. Une augmentation du degré de certitude des coordonnées d'un électron lorsqu'il tombe sur un noyau entraînerait une forte augmentation de l'énergie de l'électron jusqu'à 10 11 kJ/mol ou plus. Un électron doté d’une telle énergie, au lieu de tomber sur le noyau, devra quitter l’atome. Il s’ensuit que la force est nécessaire non pas pour empêcher l’électron de tomber sur le noyau, mais pour « forcer » l’électron à se trouver à l’intérieur de l’atome.
Une fonction qui dépend des coordonnées de l'électron, grâce à laquelle est déterminée la probabilité qu'il se trouve à un point particulier de l'espace, est appelée orbital. Le concept d’« orbitale » ne doit pas être identifié avec le concept d’« orbite », utilisé dans la théorie de Bohr. Dans la théorie de Bohr, une orbite fait référence à la trajectoire (chemin) du mouvement d'un électron autour d'un noyau.
Il est souvent d’usage de considérer un électron comme un nuage chargé négativement flou dans l’espace avec une charge totale égale à la charge de l’électron. Ensuite, la densité d'un tel nuage d'électrons en tout point de l'espace est proportionnelle à la probabilité d'y trouver un électron. Le modèle du nuage électronique est très pratique pour une description visuelle de la distribution de la densité électronique dans l’espace. Où s-l'orbitale a une forme sphérique, R.-orbital - forme d'haltère, d-orbitale - une fleur à quatre pétales ou un double haltère (Fig. 1.10).

Ainsi, s-le sous-shell se compose d'un s-orbitales, p- sous-coque - sur trois p-orbitales, d- sous-shell - sur cinq d-orbitales, F- sous-coque - sur sept F-orbitales.

§5. Nuages ​​d'électrons - orbitales

L'électron unique d'un atome d'hydrogène se forme autour du noyau orbitale sphérique- un nuage d'électrons sphérique, comme une boule de laine duveteuse ou une boule de coton enroulée de manière lâche.

Les scientifiques ont convenu d'appeler l'orbitale atomique sphérique s-orbital. C'est le plus stable et il est situé assez près du noyau.

Plus l'énergie d'un électron dans un atome est grande, plus il tourne vite, plus sa zone de résidence s'étend et se transforme finalement en forme d'haltère p-orbital:

Un nuage électronique de cette forme peut occuper un atome trois postes le long des axes de coordonnées spatiales X, oui Et z. Cela s'explique facilement : après tout, tous les électrons sont chargés négativement, donc les nuages ​​​​d'électrons se repousser et efforcez-vous de vous situer le plus loin possible les uns des autres.

Ensemble, trois nuages ​​d'électrons, appelés px-, p y- ou pz-les orbitales forment une figure géométrique symétrique, au centre de laquelle se trouve le noyau atomique. Cela ressemble à un pompon à six pointes ou à un triple nœud - comme vous le souhaitez.

Donc, p Il peut y avoir trois orbitales. Leur énergie est bien sûr la même, mais leur localisation dans l’espace est différente.

Sauf s- Et p-les orbitales, il existe des orbitales électroniques de formes encore plus complexes ; ils sont désignés par des lettres d Et F. Les électrons qui arrivent ici acquièrent une réserve d'énergie encore plus grande, se déplacent le long de chemins complexes et, par conséquent, des formes géométriques tridimensionnelles complexes et magnifiques sont obtenues.

Tous d-orbitales(et il y en a peut-être déjà cinq) sont identiques en énergie, mais situés différemment dans l'espace. Et en forme, rappelant un oreiller noué avec des rubans, seuls quatre sont identiques.
Et le cinquième est comme un haltère enfilé dans un beignet.

Nuages ​​d'électrons de même énergie, auxquels on donne un nom F-orbitales, peut-être déjà sept heures. Ils sont également de forme différente et orientés différemment dans l’espace.