- Entartete Orbitale eines isolierten Atoms
- Orbitale p
- Orbitale d
- Orbitale f
- Entartete Hybridorbitale
- Verweise
Die entarteten Orbitale sind diejenigen, die sich auf dem gleichen Energieniveau befinden. Nach dieser Definition müssen sie die gleiche Hauptquantenzahl n haben. Somit sind die 2s- und 2p-Orbitale entartet, da sie zum Energieniveau 2 gehören. Es ist jedoch bekannt, dass ihre Winkel- und Radialwellenfunktionen unterschiedlich sind.
Wenn die Werte von n zunehmen, beginnen die Elektronen, andere Energieebenen wie die d- und f-Orbitale zu besetzen. Jedes dieser Orbitale hat seine eigenen Eigenschaften, die auf den ersten Blick in ihren eckigen Formen erkennbar sind. Dies sind die kugelförmigen, hantelförmigen (p), kleeblättrigen (d) und kugelförmigen (f) Figuren.
Quelle: Gabriel Bolívar
Zwischen ihnen gibt es einen energetischen Unterschied, der sogar zur gleichen Stufe n gehört.
Das obige Bild zeigt beispielsweise ein Energieschema mit Orbitalen, die von ungepaarten Elektronen besetzt sind (ein abnormaler Fall). Es ist ersichtlich, dass von allen stabilsten (dem mit der niedrigsten Energie) das ns-Orbital (1s, 2s,…) ist, während das nf das instabilste ist (das mit der höchsten Energie).
Entartete Orbitale eines isolierten Atoms
Entartete Orbitale mit demselben Wert von n befinden sich in einem Energieschema in derselben Linie. Aus diesem Grund befinden sich die drei roten Streifen, die die p-Orbitale symbolisieren, auf derselben Linie. ebenso wie die lila und gelben Streifen auf die gleiche Weise.
Das Diagramm im Bild verstößt gegen die Hundsche Regel: Die Orbitale mit höherer Energie werden mit Elektronen gefüllt, ohne sie zuerst mit den Orbitalen mit niedrigerer Energie zu paaren. Wenn sich die Elektronen paaren, verliert das Orbital Energie und übt eine größere elektrostatische Abstoßung auf die ungepaarten Elektronen der anderen Orbitale aus.
Solche Effekte werden jedoch in vielen Energiediagrammen nicht berücksichtigt. Wenn ja, und Hunds Regel zu befolgen, ohne die d-Orbitale vollständig auszufüllen, würde man sehen, dass sie aufhören, entartet zu sein.
Wie bereits erwähnt, hat jedes Orbital seine eigenen Eigenschaften. Bei einem isolierten Atom mit seiner elektronischen Konfiguration sind die Elektronen in der genauen Anzahl der Orbitale angeordnet, um sie aufzunehmen. Nur diejenigen, deren Energie gleich ist, können als entartet angesehen werden.
Orbitale p
Die drei roten Streifen für die entarteten p-Orbitale im Bild zeigen an, dass sowohl p x , p als auch p z die gleiche Energie haben. In jedem befindet sich ein ungepaartes Elektron, das durch vier Quantenzahlen (n, l, ml und ms) beschrieben wird, während die ersten drei die Orbitale beschreiben.
Der einzige Unterschied zwischen ihnen wird durch das magnetische Moment ml bezeichnet, das den Pfad von p x auf einer x-Achse, p y auf der y-Achse und p z auf der z-Achse zeichnet . Alle drei sind gleich, unterscheiden sich jedoch nur in ihrer räumlichen Ausrichtung. Aus diesem Grund sind sie immer energetisch ausgerichtet, dh entartet.
Da sie gleich sind, muss ein isoliertes Stickstoffatom (mit der Konfiguration 1s 2 2s 2 2p 3 ) seine drei p-Orbitale entartet halten. Das Energieszenario ändert sich jedoch abrupt, wenn man ein N-Atom innerhalb eines Moleküls oder einer chemischen Verbindung betrachtet.
Warum? Denn obwohl p x , p und und p z in der Energie gleich sind, kann es in jedem von ihnen variieren, wenn sie unterschiedliche chemische Umgebungen haben; das heißt, wenn sie an verschiedene Atome binden.
Orbitale d
Es gibt fünf lila Streifen, die die d-Orbitale bezeichnen. In einem isolierten Atom gelten diese fünf Orbitale als entartet, selbst wenn sie Elektronen gepaart haben. Im Gegensatz zu den p-Orbitalen gibt es diesmal jedoch einen deutlichen Unterschied in ihren Winkelformen.
Daher bewegen sich seine Elektronen in Raumrichtungen, die von einem Orbital zum anderen variieren. Dies bewirkt nach der Theorie des kristallinen Feldes, dass eine minimale Störung eine energetische Verdoppelung der Orbitale bewirkt; Das heißt, die fünf violetten Streifen trennen sich und lassen eine Energielücke zwischen ihnen:
Quelle: Gabriel Bolívar
Was sind die oberen Orbitale und was sind die unteren Orbitale? Die oben genannten werden als z. B. die unter t 2g symbolisiert . Beachten Sie, wie anfangs alle violetten Streifen ausgerichtet waren und nun ein Satz von zwei z. B. Orbitalen gebildet wurde , die energetischer sind als der andere Satz von drei t 2 g -Orbitalen .
Diese Theorie erlaubt es uns, die dd-Übergänge zu erklären, denen viele der in den Verbindungen der Übergangsmetalle (Cr, Mn, Fe usw.) beobachteten Farben zugeschrieben werden. Und woran liegt diese elektronische Störung? Zu den Koordinationswechselwirkungen des Metallzentrums mit anderen Molekülen, die als Liganden bezeichnet werden.
Orbitale f
Und mit den Orbitalen, den gelben Filzstreifen, wird die Situation noch komplizierter. Ihre räumlichen Richtungen variieren stark zwischen ihnen und die Visualisierung ihrer Verbindungen wird zu komplex.
Tatsächlich werden die f-Orbitale als so intern ummantelt angesehen, dass sie nicht „nennenswert“ an der Bindungsbildung beteiligt sind.
Wenn sich das isolierte Atom mit f-Orbitalen mit anderen Atomen umgibt, beginnen Wechselwirkungen und es kommt zu einer Entfaltung (Verlust der Entartung):
Quelle: Gabriel Bolívar
Beachten Sie, dass die gelben Streifen jetzt drei Sätze bilden: t 1 g , t 2 g und a 1 g , und dass sie nicht mehr entartet sind.
Entartete Hybridorbitale
Es wurde gesehen, dass sich die Orbitale entfalten und die Degeneration verlieren können. Während dies elektronische Übergänge erklärt, verblasst es bei der Aufklärung, wie und warum es unterschiedliche Molekülgeometrien gibt. Hier kommen Hybridorbitale ins Spiel.
Was sind seine Hauptmerkmale? Dass sie entartet sind. Sie entstehen also aus der Mischung von Zeichen der s-, p-, d- und f-Orbitale, um entartete Hybride hervorzubringen.
Zum Beispiel mischen sich drei p-Orbitale mit einem s, um vier sp 3 -Orbitale zu ergeben . Alle sp 3 -Orbitale sind entartet und haben daher die gleiche Energie.
Wenn zusätzlich zwei d-Orbitale mit den vier sp 3 gemischt werden, erhalten wir sechs sp 3 d 2 -Orbitale .
Und wie erklären sie molekulare Geometrien? Da es sechs mit gleichen Energien gibt, müssen sie daher symmetrisch im Raum ausgerichtet sein, um gleiche chemische Umgebungen zu erzeugen (zum Beispiel in einer MF 6 -Verbindung ).
Wenn sie dies tun, wird ein Koordinationsoktaeder gebildet, das einer oktaedrischen Geometrie um ein Zentrum (M) entspricht.
Geometrien sind jedoch häufig verzerrt, was bedeutet, dass selbst Hybridorbitale nicht wirklich vollständig entartet sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass entartete Orbitale nur in isolierten Atomen oder in hochsymmetrischen Umgebungen existieren.
Verweise
- Chemicool Wörterbuch. (2017). Definition von entartet. Wiederhergestellt von: chemicool.com
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- Shiver & Atkins. (2008). Anorganische Chemie. (Vierte Edition). Mc Graw Hill.