- Gedegenereerde orbitalen van een geïsoleerd atoom
- Orbitalen p
- Orbitalen d
- Orbitalen f
- Gedegenereerde hybride orbitalen
- Referenties
De gedegenereerde orbitalen zijn degenen die zich op hetzelfde energieniveau bevinden. Volgens deze definitie moeten ze hetzelfde hoofdkwantumnummer n hebben. De 2s- en 2p-orbitalen zijn dus gedegenereerd, aangezien ze tot energieniveau 2 behoren. Het is echter bekend dat hun hoek- en radiale golffuncties verschillend zijn.
Naarmate de waarden van n toenemen, beginnen de elektronen andere energiesubniveaus te bezetten, zoals de d- en f-orbitalen. Elk van deze orbitalen heeft zijn eigen kenmerken, die op het eerste gezicht te zien zijn in hun hoekige vormen; Dit zijn de bolvormige (s), halter (p), klaverblad (d) en bolvormige (f) cijfers.
Bron: Gabriel Bolívar
Tussen hen is er een energetisch verschil, zelfs behorend tot hetzelfde niveau n.
De afbeelding hierboven toont bijvoorbeeld een energieschema met de orbitalen bezet door ongepaarde elektronen (een abnormaal geval). Je kunt zien dat van alle meest stabiele (degene met de laagste energie) de ns-orbitaal is (1s, 2s, …), terwijl de nf de meest onstabiele is (degene met de hoogste energie).
Gedegenereerde orbitalen van een geïsoleerd atoom
Gedegenereerde orbitalen, met dezelfde waarde van n, bevinden zich in dezelfde lijn in een energieschema. Om deze reden bevinden de drie rode strepen die de p-orbitalen symboliseren zich op dezelfde lijn; net als de paarse en gele strepen op dezelfde manier.
Het diagram in de afbeelding is in strijd met de regel van Hund: de orbitalen met hogere energie zijn gevuld met elektronen zonder ze eerst te koppelen in de orbitalen met lagere energie. Terwijl de elektronen paren, verliest de orbitaal energie en oefent een grotere elektrostatische afstoting uit op de ongepaarde elektronen van de andere orbitalen.
Dergelijke effecten worden echter niet in veel energiediagrammen overwogen. Als dat zo is, en de regel van Hund gehoorzamen zonder de d-orbitalen volledig te vullen, zou men zien dat ze niet langer gedegenereerd zijn.
Zoals eerder vermeld, heeft elke orbitaal zijn eigen kenmerken. Een geïsoleerd atoom, met zijn elektronische configuratie, heeft zijn elektronen gerangschikt in het exacte aantal orbitalen om ze te huisvesten. Alleen degenen met een gelijke energie kunnen als gedegenereerd worden beschouwd.
Orbitalen p
De drie rode strepen voor de gedegenereerde p-orbitalen in de afbeelding geven aan dat zowel p x , p als p z dezelfde energie hebben. Er is in elk een ongepaard elektron, beschreven door vier kwantumgetallen (n, l, ml en ms), terwijl de eerste drie de orbitalen beschrijven.
Het enige verschil tussen hen wordt aangegeven door het magnetische moment ml, dat het pad van p x op een x-as, p y op de y-as en p z op de z-as tekent . Alle drie zijn hetzelfde, maar verschillen alleen in hun ruimtelijke oriëntaties. Om deze reden worden ze altijd uitgelijnd in energie getekend, dat wil zeggen gedegenereerd.
Omdat ze gelijk zijn, moet een geïsoleerd stikstofatoom (met configuratie 1s 2 2s 2 2p 3 ) zijn drie p-orbitalen gedegenereerd behouden. Het energiescenario verandert echter abrupt als men een N-atoom in een molecuul of chemische verbinding beschouwt.
Waarom? Omdat hoewel p x , p en en p z gelijk zijn in energie, het in elk van hen kan variëren als ze verschillende chemische omgevingen hebben; dat wil zeggen, als ze binden aan verschillende atomen.
Orbitalen d
Er zijn vijf paarse strepen die de d-orbitalen aanduiden. In een geïsoleerd atoom, zelfs als ze gepaarde elektronen hebben, worden deze vijf orbitalen als gedegenereerd beschouwd. In tegenstelling tot de p-orbitalen is er deze keer echter een duidelijk verschil in hun hoekige vormen.
Daarom reizen zijn elektronen richtingen in de ruimte die variëren van de ene baan naar de andere. Dit veroorzaakt, volgens de theorie van het kristallijnen veld, dat een minimale verstoring een energetische verdubbeling van de orbitalen veroorzaakt; dat wil zeggen, de vijf paarse strepen scheiden zich, waardoor er een energiekloof tussen hen ontstaat:
Bron: Gabriel Bolívar
Wat zijn de bovenste orbitalen en wat zijn de onderste? Bovenstaande kenmerken worden gesymboliseerd e g en de hierna t 2g . Merk op hoe in eerste instantie alle paarse strepen werden uitgelijnd, en nu een set van twee e g orbitalen meer energie dan de andere set van drie t 2g orbitalen werd gevormd .
Deze theorie stelt ons in staat de dd-overgangen te verklaren, waaraan veel van de kleuren die worden waargenomen in de verbindingen van overgangsmetalen (Cr, Mn, Fe, enz.) Worden toegeschreven. En waar komt deze elektronische storing vandaan? Naar de coördinatie-interacties van het metaalcentrum met andere moleculen die liganden worden genoemd.
Orbitalen f
En met de f orbitalen, de viltgele strepen, wordt de situatie nog ingewikkelder. Hun ruimtelijke richtingen verschillen enorm tussen hen, en de visualisatie van hun verbindingen wordt te complex.
In feite worden de f-orbitalen beschouwd als zo intern omhuld dat ze niet "merkbaar deelnemen" aan de vorming van obligaties.
Wanneer het geïsoleerde atoom met f-orbitalen zichzelf omringt met andere atomen, beginnen interacties en vindt ontvouwing plaats (het verlies van degeneratie):
Bron: Gabriel Bolívar
Merk op dat de gele strepen nu drie sets vormen: t 1g , t 2g en a 1g , en dat ze niet langer gedegenereerd zijn.
Gedegenereerde hybride orbitalen
Men heeft gezien dat de orbitalen zich kunnen ontvouwen en degeneratie verliezen. Hoewel dit elektronische overgangen verklaart, verbleekt het bij het ophelderen van hoe en waarom er verschillende moleculaire geometrieën zijn. Dit is waar hybride orbitalen binnenkomen.
Wat zijn de belangrijkste kenmerken? Dat ze gedegenereerd zijn. Ze komen dus voort uit het mengsel van karakters van s, p, d en f orbitalen, om gedegenereerde hybriden voort te brengen.
Drie p-orbitalen worden bijvoorbeeld gemengd met één s om vier sp 3- orbitalen te geven . Alle sp 3- orbitalen zijn gedegenereerd en hebben daarom dezelfde energie.
Als bovendien twee d-orbitalen worden gemengd met de vier sp 3 , krijgen we zes sp 3 d 2- orbitalen .
En hoe verklaren ze moleculaire geometrieën? Omdat er zes zijn, met gelijke energieën, moeten ze daarom symmetrisch in de ruimte worden georiënteerd om gelijke chemische omgevingen te genereren (bijvoorbeeld in een MF 6- verbinding ).
Wanneer ze dat doen, wordt een coördinatie-octaëder gevormd, die gelijk is aan een octaëdrische geometrie rond een middelpunt (M).
Geometrieën zijn echter vaak vervormd, wat betekent dat zelfs hybride orbitalen niet echt volledig gedegenereerd zijn. Daarom, bij wijze van conclusie, bestaan gedegenereerde orbitalen alleen in geïsoleerde atomen of in zeer symmetrische omgevingen.
Referenties
- Chemicool Dictionary. (2017). Definitie van gedegenereerde. Hersteld van: chemicool.com
- SparkNotes LLC. (2018). Atomen en atomaire orbitalen. Hersteld van: sparknotes.com
- Pure chemie. (sf). Elektronische configuratie. Hersteld van: es-puraquimica.weebly.com
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren.
- Moreno R. Esparza. (2009). Cursus Coördinatiechemie: Velden en orbitalen. . Hersteld van: depa.fquim.unam.mx
- Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.