Dalam kimia dan fisika, orbital atom adalah fungsi yang disebut fungsi gelombang yang menggambarkan sifat-sifat karakteristik tidak lebih dari dua elektron di sekitar inti atom atau sistem inti, seperti dalam molekul. Orbital sering digambarkan sebagai wilayah tiga dimensi yang di dalamnya terdapat peluang 95 persen untuk menemukan elektron.
Orbital dan orbit
Saat sebuah planet bergerak mengelilingi Matahari, ia menelusuri jalur yang disebut orbit. Demikian pula, sebuah atom dapat direpresentasikan sebagai elektron yang berputar di orbit di sekitar nukleus. Faktanya, semuanya berbeda, dan elektron berada di wilayah ruang yang dikenal sebagai orbital atom. Kimia puas dengan model atom yang disederhanakan untuk menghitung persamaan gelombang Schrödinger dan, karenanya, menentukan kemungkinan keadaan elektron.
Orbit dan orbital terdengar serupa, tetapi memiliki arti yang sama sekali berbeda. Sangat penting untuk memahami perbedaan di antara mereka.
Tidak mungkin menampilkan orbit
Untuk merencanakan lintasan sesuatu, Anda perlu tahu persis di mana objek itu beradaterletak, dan dapat menetapkan di mana ia akan berada dalam sekejap. Ini tidak mungkin untuk elektron.
Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, tidak mungkin untuk mengetahui secara pasti di mana sebuah partikel berada saat ini dan di mana ia akan berada nanti. (Faktanya, prinsipnya mengatakan bahwa tidak mungkin untuk menentukan momentum dan momentumnya secara serentak dan akurat).
Oleh karena itu, tidak mungkin membangun orbit elektron di sekitar nukleus. Apakah ini masalah besar? Tidak. Jika sesuatu tidak mungkin, itu harus diterima dan jalan keluarnya harus ditemukan.
Elektron hidrogen – orbital 1s
Misalkan ada satu atom hidrogen dan pada titik waktu tertentu posisi satu elektron tercetak secara grafis. Tak lama kemudian, prosedur diulangi dan pengamat menemukan bahwa partikel berada dalam posisi baru. Bagaimana dia naik dari tempat pertama ke tempat kedua tidak diketahui.
Jika Anda melanjutkan dengan cara ini, Anda akan secara bertahap membentuk semacam peta 3D di mana kemungkinan partikel tersebut berada.
Dalam kasus atom hidrogen, elektron dapat berada di mana saja dalam ruang bola yang mengelilingi nukleus. Diagram menunjukkan penampang ruang bola ini.
95% dari waktu (atau persentase lainnya, karena hanya ukuran alam semesta yang dapat memberikan kepastian seratus persen) elektron akan berada dalam wilayah ruang yang cukup mudah ditentukan, cukup dekat dengan nukleus. Daerah seperti itu disebut orbital. Orbital atom adalahdaerah ruang di mana elektron berada.
Apa yang dia lakukan di sana? Kami tidak tahu, kami tidak tahu, dan karena itu kami mengabaikan masalah ini! Kita hanya dapat mengatakan bahwa jika sebuah elektron berada pada orbital tertentu, maka elektron tersebut akan memiliki energi tertentu.
Setiap orbital memiliki nama.
Ruang yang ditempati oleh elektron hidrogen disebut orbital 1s. Satuan di sini berarti partikel berada pada tingkat energi yang paling dekat dengan inti. S menceritakan tentang bentuk orbit. Orbital S berbentuk bola simetris terhadap inti - setidaknya seperti bola berongga dari bahan yang cukup padat dengan inti di pusatnya.
2s
Orbital berikutnya adalah 2s. Ini mirip dengan 1s, kecuali bahwa lokasi elektron yang paling mungkin lebih jauh dari nukleus. Ini adalah orbital tingkat energi kedua.
Jika Anda melihat lebih dekat, Anda akan melihat bahwa lebih dekat ke nukleus ada wilayah lain dengan kerapatan elektron yang sedikit lebih tinggi ("kerapatan" adalah cara lain untuk menunjukkan kemungkinan partikel ini ada di tempat tertentu).
2s elektron (dan 3s, 4s, dll.) menghabiskan sebagian waktunya lebih dekat ke pusat atom daripada yang diperkirakan. Hasil dari ini adalah sedikit penurunan energi mereka dalam orbital s. Semakin dekat elektron ke inti, semakin rendah energinya.
3s-, 4s-orbital (dan seterusnya) semakin jauh dari pusat atom.
Orbital P
Tidak semua elektron hidup dalam orbital s (pada kenyataannya, sangat sedikit elektron yang hidup dalam orbital s). Pada tingkat energi pertama, satu-satunya lokasi yang tersedia untuk mereka adalah 1s, pada yang kedua, 2s dan 2p ditambahkan.
Orbital jenis ini lebih mirip 2 balon identik, terhubung satu sama lain pada intinya. Rajah menunjukkan penampang dari daerah ruang 3 dimensi. Sekali lagi, orbital hanya menunjukkan area dengan peluang 95 persen untuk menemukan satu elektron.
Jika kita membayangkan sebuah bidang horizontal yang melalui inti sedemikian rupa sehingga satu bagian dari orbit berada di atas bidang dan yang lainnya di bawahnya, maka ada kemungkinan nol untuk menemukan elektron di bidang ini. Jadi bagaimana sebuah partikel berpindah dari satu bagian ke bagian lain jika ia tidak pernah bisa melewati bidang inti? Ini karena sifat gelombangnya.
Tidak seperti s-, orbital p memiliki arah tertentu.
Pada tingkat energi apa pun, Anda dapat memiliki tiga orbital p yang benar-benar setara yang terletak tegak lurus satu sama lain. Mereka secara arbitrer dilambangkan dengan simbol px, py dan pz. Ini diterima untuk kemudahan - apa yang dimaksud dengan arah X, Y atau Z selalu berubah, karena atom bergerak secara acak dalam ruang.
Orbital P pada tingkat energi kedua disebut 2px, 2py dan 2pz. Ada orbital serupa pada orbital berikutnya - 3px, 3py, 3pz, 4p x, 4py,4pz dan seterusnya.
Semua level, kecuali yang pertama, memiliki orbital p. Pada tingkat yang lebih tinggi, "kelopak" lebih memanjang, dengan kemungkinan besar lokasi elektron pada jarak yang lebih jauh dari nukleus.
d- dan orbital f
Selain orbital s dan p, ada dua set orbital lain yang tersedia untuk elektron pada tingkat energi yang lebih tinggi. Pada yang ketiga, mungkin ada lima orbital d (dengan bentuk dan nama yang kompleks), serta orbital 3s dan 3p (3px, 3py, 3pz). Ada total 9 di sini.
Pada orbital keempat, bersama dengan 4s dan 4p dan 4d, 7 orbital f tambahan muncul - total 16, juga tersedia di semua tingkat energi yang lebih tinggi.
Penempatan elektron dalam orbital
Sebuah atom dapat dianggap sebagai rumah yang sangat mewah (seperti piramida terbalik) dengan inti yang hidup di lantai dasar dan berbagai ruangan di lantai atas yang ditempati oleh elektron:
- hanya ada 1 kamar di lantai pertama (1s);
- di kamar kedua sudah ada 4 (2s, 2px, 2py dan 2pz);
- di lantai tiga ada 9 ruangan (satu orbital 3s, tiga 3p dan lima 3d) dan seterusnya.
Tapi kamarnya tidak terlalu besar. Masing-masing hanya dapat menampung 2 elektron.
Cara mudah untuk menunjukkan orbit atom tempat partikel-partikel ini berada adalah dengan menggambar "sel kuantum".
Sel kuantum
NuklirOrbital dapat direpresentasikan sebagai kotak dengan elektron di dalamnya ditunjukkan sebagai panah. Seringkali, panah atas dan bawah digunakan untuk menunjukkan bahwa partikel-partikel ini berbeda.
Kebutuhan elektron yang berbeda dalam sebuah atom adalah konsekuensi dari teori kuantum. Jika mereka berada di orbital yang berbeda, tidak apa-apa, tetapi jika mereka berada di orbit yang sama, maka pasti ada sedikit perbedaan di antara mereka. Teori kuantum memberikan partikel dengan properti yang disebut "berputar", yang mengacu pada arah panah.
Orbital
1s dengan dua elektron ditampilkan sebagai bujur sangkar dengan dua panah mengarah ke atas dan ke bawah, tetapi dapat juga ditulis lebih cepat sebagai 1s2. Bunyinya "satu s dua", bukan "satu s kuadrat". Angka-angka dalam notasi ini tidak boleh dikacaukan. Yang pertama adalah tingkat energi, dan yang kedua adalah jumlah partikel per orbital.
Hibridisasi
Dalam kimia, hibridisasi adalah konsep pencampuran orbital atom menjadi orbital hibrida baru yang mampu memasangkan elektron untuk membentuk ikatan kimia. Hibridisasi sp menjelaskan ikatan kimia senyawa seperti alkuna. Dalam model ini, orbital atom karbon 2s dan 2p bercampur membentuk dua orbital sp. Asetilen C2H2 terdiri dari belitan sp-sp dua atom karbon dengan pembentukan ikatan dan dua ikatan tambahan.
Orbital atom karbon dalam hidrokarbon jenuh memilikihibrid sp3-orbital identik yang berbentuk seperti h alter, yang satu bagiannya jauh lebih besar dari yang lain.
Sp2-hibridisasi mirip dengan yang sebelumnya dan dibentuk dengan mencampur satu s dan dua orbital p. Misalnya, dalam molekul etilen, tiga sp2- dan satu orbital p terbentuk.
Orbital atom: prinsip pengisian
Membayangkan transisi dari satu atom ke atom lain dalam tabel periodik unsur kimia, seseorang dapat menetapkan struktur elektronik atom berikutnya dengan menempatkan partikel tambahan pada orbit berikutnya yang tersedia.
Elektron, sebelum mengisi tingkat energi yang lebih tinggi, menempati tingkat energi yang lebih rendah yang terletak lebih dekat ke inti. Jika ada pilihan, mereka mengisi orbital satu per satu.
Urutan pengisian ini dikenal sebagai aturan Hund. Ini hanya berlaku jika orbital atom memiliki energi yang sama, dan juga membantu meminimalkan tolakan antar elektron, membuat atom lebih stabil.
Perhatikan bahwa orbital s selalu memiliki energi yang sedikit lebih rendah daripada orbital p pada tingkat energi yang sama, sehingga orbital p selalu terisi sebelum orbital p.
Yang benar-benar aneh adalah posisi orbital 3d. Mereka berada pada tingkat yang lebih tinggi dari 4s, sehingga orbital 4s terisi terlebih dahulu, diikuti oleh semua orbital 3d dan 4p.
Kebingungan yang sama terjadi pada tingkat yang lebih tinggi dengan lebih banyak tenunan di antaranya. Oleh karena itu, misalnya, orbital atom 4f tidak terisi sampai semua tempat pada6s.
Mengetahui urutan pengisian sangat penting untuk memahami bagaimana menjelaskan struktur elektronik.
