HVAD ER DEGENEREREDE ORBITALER? - KEMI - 2025

De degenererede orbitaler er dem, der er på samme energiniveau. I henhold til denne definition skal de have det samme hovedkvantetal n. Således er 2'erne og 2p-orbitalerne degenererede, da de hører til energiniveau 2. Det er imidlertid kendt, at deres vinkel- og radialbølgefunktioner er forskellige.

Når værdierne for n stiger, begynder elektronerne at optage andre energiniveauniveauer, såsom d og f-orbitaler. Hver af disse orbitaler har deres egne karakteristika, som ved første øjekast kan ses i deres vinkelformer; Dette er de sfæriske (r), håndvægt (p), kløverblad (d) og kugleformede (f) figurer.

Kilde: Gabriel Bolívar

Mellem dem er der en energiforskel, der selv hører til samme niveau n.

For eksempel viser billedet ovenfor et energiskema med orbitaler optaget af uparrede elektroner (et unormalt tilfælde). Det kan ses, at af alt det mest stabile (det med den laveste energi) er ns orbitalen (1s, 2s,…), mens nf er den mest ustabile (den med den højeste energi).

Degenerere orbitaler i et isoleret atom

Degenererede orbitaler med den samme værdi af n er i den samme linje i et energiskema. Af denne grund er de tre røde striber, der symboliserer p-orbitalerne, placeret på samme linje; ligesom de lilla og gule striber gør på samme måde.

Diagrammet på billedet overtræder Hunds regel: orbitaler med højere energi er fyldt med elektroner uden først at sammenkoble dem i dem med lavere energi. Når elektronerne parrer sig, mister orbitalen energi og udøver en større elektrostatisk frastødning på de uparrede elektroner i de andre orbitaler.

Sådanne effekter betragtes dog ikke i mange energidiagrammer. Hvis dette er tilfældet, og at adlyde Hunds regel uden fuldstændigt at udfylde d orbitaler, kunne det ses, at de holder op med at blive degenererede.

Som tidligere nævnt har hver orbital sine egne karakteristika. Et isoleret atom med sin elektroniske konfiguration har sine elektroner arrangeret i det præcise antal orbitaler for at rumme dem. Kun dem, der er lig med energi, kan betragtes som degenererede.

Orbitaler s

De tre røde striber for de degenererede p-orbitaler på billedet indikerer, at både p _x, p _og p _z har den samme energi. Der er et uparret elektron i hver, beskrevet af fire kvanttal (n, l, ml og ms), mens de tre første beskriver orbitaler.

Den eneste forskel mellem dem betegnes med det magnetiske moment ml, der trækker banen _x på en x akse, p _y på y aksen og p _z på z aksen. Alle tre er ens, men adskiller sig kun i deres rumlige orientering. Af denne grund tegnes de altid på linje i energi, det vil sige degenererede.

Da de er ens, skal et isoleret nitrogenatom (med konfiguration 1s ² 2s ² 2p ³) opretholde dets tre p-orbitaler degenererer. Energiscenariet ændres imidlertid pludseligt, hvis man betragter et N-atom i et molekyle eller en kemisk forbindelse.

Hvorfor? Fordi selv om p _x, p _{og og} p _z har samme energi, kan det variere i hver af dem, hvis de har forskellige kemiske miljøer; det vil sige, hvis de binder til forskellige atomer.

Orbitaler d

Der er fem lilla striber, der betegner d orbitaler. I et isoleret atom betragtes disse fem orbitaler, selvom de har parret elektroner, som degenererede. I modsætning til p orbitaler er der denne gang imidlertid en markant forskel i deres vinkelformer.

Derfor bevæger dens elektroner retninger i rummet, der varierer fra en orbital til en anden. Dette forårsager ifølge teorien om det krystallinske felt, at en minimal forstyrrelse forårsager en energisk fordobling af orbitalerne; det vil sige, de fem lilla striber adskilles, hvilket efterlader et energiforhold mellem dem:

Kilde: Gabriel Bolívar

Hvad er de øverste orbitaler, og hvad er de nederste orbitaler? Ovenstående er symboliseret som e _g, og dem under t _2g. Bemærk hvordan i første omgang alle de lilla striber blev alignet, og nu et sæt af to e _g orbitaler mere energiske end det andet sæt af tre t _2g orbitaler blev dannet.

Denne teori giver os mulighed for at forklare dd-overgange, som mange af de farver, der observeres i forbindelserne i overgangsmetaller (Cr, Mn, Fe, etc.) tilskrives. Og hvad skyldes denne elektroniske forstyrrelse? Til koordinationsinteraktioner af metalcentret med andre molekyler kaldet ligander.

Orbitaler f

Og med f-orbitaler, de filtgule striber, bliver situationen endnu mere kompliceret. Deres rumlige retninger varierer meget mellem dem, og visualiseringen af ​​deres links bliver for kompliceret.

Faktisk betragtes f-orbitalerne for at være så internt omhulet, at de ikke "deltager mærkbart" i bondedannelse.

Når det isolerede atom med f orbitaler omgiver sig med andre atomer, begynder interaktioner og udfoldelse (tabet af degeneration):

Kilde: Gabriel Bolívar

Bemærk, at de gule striber nu danner tre sæt: t _1g, t _2g og en _1g, og at de ikke længere er degenererede.

Degenerere hybridorbitaler

Man har set, at orbitalerne kan udfolde sig og miste degeneration. Selvom dette forklarer elektroniske overgange, er det dog lysende at belyse, hvordan og hvorfor der er forskellige molekylære geometrier. Det er her hybrid orbitaler kommer ind.

Hvad er dens vigtigste egenskaber? At de er degenererede. Således stammer de fra blandingen af ​​karakterer af s, p, d og f orbitaler for at stamme degenererede hybrider.

For eksempel blandes tre p orbitaler med en s for at give fire sp ³ orbitaler. Alle sp ^3- orbitaler er degenererede og har derfor den samme energi.

Hvis der desuden blandes to d orbinaler med de fire sp ³, vil vi opnå seks sp ³ d ² orbitaler.

Og hvordan forklarer de molekylære geometrier? Da der er seks med lige store energier, skal de derfor orienteres symmetrisk i rummet for at generere lige kemiske miljøer (for eksempel i en MF _6- forbindelse).

Når de gør det, dannes en koordination oktaedron, der er lig med en oktaedrisk geometri omkring et centrum (M).

Geometrier er imidlertid ofte forvrænget, hvilket betyder, at selv hybrid orbitaler ikke rigtig er degenererede. Som konklusion eksisterer derfor degenererede orbitaler kun i isolerede atomer eller i meget symmetriske miljøer.

Referencer

1. Chemicool Dictionary. (2017). Definition af degenereret. Gendannes fra: chemicool.com
2. SparkNotes LLC. (2018). Atomer og atomare orbitaler. Gendannes fra: sparknotes.com
3. Ren kemi. (Sf). Elektronisk konfiguration. Gendannes fra: es-puraquimica.weebly.com
4. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi. (8. udgave). CENGAGE Læring.
5. Moreno R. Esparza. (2009). Koordinationskemikursus: Felter og orbitaler.. Gendannes fra: depa.fquim.unam.mx
6. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.