На изродени орбитите са тези, които са на същото ниво на енергия. Според това определение те трябва да имат едно и също главно квантово число n. По този начин орбиталите 2s и 2p са изродени, тъй като принадлежат към енергийно ниво 2. Известно е обаче, че техните ъглови и радиални вълнови функции са различни.
С увеличаване на стойностите на n, електроните започват да заемат други енергийни подравнини, като орбиталите d и f. Всяка от тези орбитали има свои собствени характеристики, които на пръв поглед могат да се видят в техните ъглови форми; Това са сферичните (ите), гиричките (р), детелините (г) и кълбовидните (е) фигури.
Източник: Габриел Боливар
Между тях има енергийна разлика, дори принадлежаща на същото ниво n.
Например, изображението по-горе показва енергийна схема с орбиталите, заети от несдвоени електрони (ненормален случай). Вижда се, че от всички най-стабилни (тази с най-ниска енергия) е ns орбитална (1s, 2s,…), докато nf е най-нестабилната (тази с най-висока енергия).
Изродени орбитали на изолиран атом
Изродените орбитали, със същата стойност на n, са в една и съща линия в енергийна схема. Поради тази причина трите червени ивици, символизиращи p орбиталите, са разположени на една и съща линия; както лилавите и жълтите ивици по същия начин.
Диаграмата на изображението нарушава правилото на Хонд: орбиталите с по-висока енергия са изпълнени с електрони, без да ги сдвояват първо в тези с по-ниска енергия. Тъй като електроните се чифтосват, орбиталата губи енергия и упражнява по-голямо електростатично отблъскване върху несдвоените електрони на другите орбитали.
Такива ефекти обаче не се разглеждат в много енергийни диаграми. Ако е така и се подчиняват на правилото на Хунд, без да се запълнят напълно орбиталите на d, ще се види, че те спират да се изродят.
Както беше споменато по-горе, всяка орбитала има свои собствени характеристики. Изолираният атом с електронната си конфигурация има своите електрони, подредени в точния брой орбитали, за да ги настанят. Само тези, равни на енергия, могат да се считат за изродени.
Орбитали p
Трите червени ивици за изродените p орбитали на изображението показват, че и p x, p, и p z имат една и съща енергия. Във всеки има несдвоен електрон, описан с четири квантови числа (n, l, ml и ms), докато първите три описват орбиталите.
Единствената разлика между тях се обозначава с магнитния момент ml, който изчертава пътя на p x по ос x, p y по оста y и p z по оста z. И трите са еднакви, но се различават само по своите пространствени ориентации. Поради тази причина те винаги са изведени подравнени в енергия, тоест изродени.
Тъй като те са равни, изолиран азотен атом (с конфигурация 1s 2 2s 2 2p 3) трябва да поддържа своите три p орбитали да се изроди. Енергийният сценарий обаче рязко се променя, ако човек разгледа N атом в молекула или химическо съединение.
Защо? Тъй като, въпреки че p x, p и p z са равни по енергия, тя може да варира във всяка от тях, ако имат различна химическа среда; тоест, ако те се свързват с различни атоми.
Орбитали г
Има пет лилави ивици, които обозначават d орбиталите. В изолиран атом, дори ако имат сдвоени електрони, тези пет орбитали се считат за изродени. Въпреки това, за разлика от p орбиталите, този път има очертана разлика в техните ъглови форми.
Следователно неговите електрони се движат в пространството, които варират от една орбитална до друга. Това причинява, според теорията на кристалното поле, че минималното смущение предизвиква енергийно удвояване на орбиталите; т. е. петте лилави ивици се разделят, оставяйки енергийна пропаст между тях:
Източник: Габриел Боливар
Какви са горните орбитали и кои са долните орбитали? Горните са символизирани като e g, а тези под t 2g. Обърнете внимание как първоначално всички лилави ивици бяха подравнени, а сега беше оформен набор от две e g орбитали, по-енергични от другия набор от три t 2g орбитали.
Тази теория ни позволява да обясним dd преходите, към които се приписват много от цветовете, наблюдавани в съединенията на преходните метали (Cr, Mn, Fe и др.). И на какво се дължи това електронно смущение? Към координационните взаимодействия на металния център с други молекули, наречени лиганди.
Орбитали f
А с f орбиталите, филцовите жълти ивици, ситуацията става още по-сложна. Пространствените им посоки варират значително между тях и визуализацията на техните връзки става твърде сложна.
В действителност, f орбиталите се считат за толкова вътрешно покрити, че не „участват значително“ във формирането на облигации.
Когато изолираният атом с f орбитали се заобикаля с други атоми, взаимодействията започват и настъпва разгръщане (загубата на дегенерация):
Източник: Габриел Боливар
Обърнете внимание, че сега жълтите ивици образуват три групи: t 1 g, t 2 g и 1 g и че те вече не са изродени.
Изродени хибридни орбитали
Вижда се, че орбиталите могат да се разгърнат и да загубят дегенерация. Въпреки това, докато това обяснява електронните преходи, той избледнява в изясняването как и защо има различни молекулярни геометрии. Тук влизат хибридните орбитали.
Какви са основните му характеристики? Че са изродени. По този начин те възникват от сместа от знаци на s, p, d и f орбитали, за да възникнат изродени хибриди.
Например три p орбитали се смесват с един s, за да се получат четири sp 3 орбитали. Всички sp 3 орбитали са изродени и следователно имат една и съща енергия.
Ако в допълнение две d орбитали се смесят с четирите sp 3, ще получим шест sp 3 d 2 орбитали.
И как обясняват молекулярните геометрии? Тъй като има шест, с еднакви енергии, следователно те трябва да бъдат ориентирани симетрично в пространството, за да генерират равни химични среди (например в съединение MF 6).
Когато го направят, се оформя координационен октаедър, който е равен на октаедрална геометрия около център (М).
Геометриите обаче често са изкривени, което означава, че дори хибридните орбитали всъщност не са напълно изродени. Следователно, като заключение, изродените орбитали съществуват само в изолирани атоми или в силно симетрични среди.
Препратки
- Chemicool Dictionary. (2017). Определение на Degenerate. Възстановено от: chemicool.com
- SparkNotes LLC. (2018). Атоми и атомни орбитали. Възстановени от: sparknotes.com
- Чиста химия. (SF). Електронна конфигурация. Възстановени от: es-puraquimica.weebly.com
- Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
- Морено Р. Еспарза. (2009 г.). Курс по координационна химия: Полета и орбитали., Възстановено от: depa.fquim.unam.mx
- Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.