......orbital

از کاربران عزیز درخواست میشود که هرگونه مطلبی در مورد هر نوع اوربیتال در اختیار دارند در این قسمت قرار دهند

اوربیتال اتمی
مقدمه
اوربیتال محدوده‌ای از فضای اطراف هسته می‌باشد که احتمال یافتن الکترون در آن وجود دارد. این احتمال در نزدیکی هسته بیشترین مقدار را دارد. ولی برای تمام نقاطی از فضا که فاصله معینی از هسته دارند، احتمال معینی وجود دارد. هر اوربیتال می‌تواند حداکثر دو الکترون را در خود جای دهد. دو الکترونی که در یک اوربیتال جای می‌گیرند، دارای اسپین مخالف هستند.

هر الکترون را می‌توان با چهار عدد کوانتومی مشخص کرد که به منزله شناسنامه الکترون هستند و فاصله نسبی الکترون از هسته (n) ، لایه فرعی و شکل اوربیتال (L) ، جهت گیری اوربیتال در فضا (s) را بیان می‌کنند. بر اساس اصل طرد پاولی در یک اتم هیچ دو الکترونی را نمی‌توان یافت که تمام چهار عدد کوانتومی آنها یکسان باشد.

تاریخچه
در مورد ساختمان اتم و نحوه قرار گرفتن الکترون‌ها و پروتون‌ها در آن بررسی‌های زیادی توسط دانشمندان انجام شده و نظریه‌های مختلفی ارائه شده است. تامسون اتم را به شکل کره‌ای یکنواخت از بارهای مثبت تا شعاع تصور می‌کرد که بارهای منفی در محیط خارجی کره پراکنده‌اند. رادرفورد در سال 1911 با استفاده از ذرات آلفا دلایل قانع کننده‌ای مبنی بر وجود هسته اتم ارائه داد. او اتم را بصورت کره ‌ای تصور می‌کرد که هسته در وسط آن قرار دارد و الکترون‌ها به فواصل نسبی بینهایت زیاد در خارج از هسته قرار دارند. نیلز بوهر در سال 1913 نظریه ساختمان الکترونی اتم را پیشنهاد کرد.

این نظریه بر اساس مدل اتمی رادرفورد ، نظریه کوانتومی پلانک و داده‌های تجربی حاصل از مطالعه طیف‌های اتمی قرار داشت، و بیان می‌کرد که الکترون اتم هیدروژن فقط می‌تواند در مدارهای کروی معین (مدارها یا ترازهای انرژی) که بطور متحدالمرکز دور هسته قرار دارند، وجود داشته باشد. این مدارها تابع محدودیت کوانتومی است. شرودینگر در سال 1926 با طرح معادله‌ای که در آن محدودیت کوانتومی انرژی الکترون و تصور الکترون بصورت موج ساکن ، با هم تلفیق شده بود، تابع موجی الکترون (ψ) را معرفی کرد که مختصات مکان الکترون در فضایی که الکترون در آن یافت می‌شود و انرژی الکترون از لحاظ ریاضی را به هم مربوط کرد.

اگر الکترون را بصورت ذره‌ای در حال حرکت به دور هسته در نظر بگیریم، ψ2 متناسب با احتمال یافتن الکترون در جزو معینی از فضاست و احتمال یافتن الکترون در ناحیه‌ای که ابر الکترونی غلیظ‌تر باشد بیشتر است.

تفسیر مکانیکی اوربیتال
تفسیر مکانیکی اوربیتال
شدت هر موج با مجذور دامنه آن متناسب است. تابع موجی (ψ) ، تابع دامنه است. مجذور دامنه یا مجذور تابع موجی برای یک حجم کوچک در هر موقعیتی از فضا با چگالی بار الکترونی در آن حجم متناسب است. می‌توان تصور کرد که بار الکترونی به سبب حرکت سریع الکترون بصورت ابر باردار در فضای دور هسته گسترده شده است. این ابر در برخی نواحی غلیظ‌تر از برخی نواحی دیگر است.

احتمال یافتن الکترون در هر ناحیه معین متناسب با چگالی ابر الکترونی در آن ناحیه است. این احتمال در ناحیه‌ای که ابر الکترونی غلیظ‌تر ‌‌باشد، بیشتر خواهد بود. این تفسیر کوششی برای توصیف مسیر الکترون به عمل نمی‌آورد، بلکه فقط پیش‌بینی می‌کند که احتمال یافتن الکترون در کجا بیشتر است.

از نظر مکانیک کوانتومی هیچ محدودیتی برای وجود الکترون در فضا اطراف هسته وجود ندارد. پس بی‌نهایت اوربیتال وجود دارد.

اعداد کوانتومی
مکانیک موجی که نظریه شرودینگر اساس آن می‌باشد با استفاده از چهار عدد کوانتومی وضعیت الکترون را توصیف می‌کند. این اعداد عبارتند از :

عدد کوانتومی اصلی
این عدد نشان‌دهنده ترازهای انرژی است که الکترون‌ها در آن ترازها به دور هسته گردش می‌کنند و عدد صحیحی می‌باشد. این عدد می‌تواند کلیه مقادیر اعداد صحیح مثبت به استثنای صفر را قبول کند.

عدد کوانتومی اندازه حرکت زاویه‌ای مداری
آرنولد زمر فیلد در سال 1916 پیشنهاد کرد که هر مدار بوهر (n) با شرط n>1 از لایه‌هایی فرعی با اختلاف انرژی کم تشکیل شده‌است. به هر لایه فرعی یک عدد کوانتومی (L) نسبت داده می‌شود. این عدد نشان دهنده شکل هندسی توزیع تابع احتمال پیدا کردن الکترون در فضای اطراف هسته می‌باشد وکلیه مقادیر L=0,1,2, … , n-1 را اختیار کند.

عدد کوانتومی مغناطیسی مداری
تعداد اوربیتال‌های یک تراز فرعی را می‌توان از این عدد استنتاج کرد که در اثر میدان مغناطیسی هر تراز L به این ترازها شکافته می‌شود. بعنوان مثال میدان مغناطیسی بر اوربیتال کروی S که با عدد L=0 مشخص می‌شود، تاثیری ندارد چون S تقارن کروی دارد و در تمام جهت‌ها بطور یکسان تحت تاثیر خطوط نیرو قرار می‌گیرد. این عدد که با m نشان داده می شود، مقادیر ممکن این عدد عبارتند از :



m=+L,…,0,…,-L




عدد کوانتومی مغناطیسی اسپینی
این عدد مشخص کننده حرکت تقدیمی الکترون است و با نشان داده می‌شود و می‌تواند مقادیر 2/1+ , 2/1- را اختیار کند.

ابر الکترونی و مکان الکترون
در مورد یک الکترون در حالت n=1 هیدروژن ، ابر باردار بالاترین چگالی را در نزدیکی هسته دارد و بتدریج که فاصله از هسته افزایش می‌یابد، رقیق‌تر می‌شود. احتمال یافتن الکترون در حجم کوچکی از فضا ، در نزدیکی هسته ، بیشترین مقدار را دارد و با افزایش فاصله از هسته به سمت صفر میل می‌کند.

لایه‌های کروی بسیار نازکی را که یکی پس از دیگری بطور متحدالمرکز به دور هسته قرار دارند، تصور کنید. احتمال یافتن الکترون در واحد حجم فضای نزدیک به هسته بیشترین مقدار خود را دارد. ولی در عوض یک لایه نزدیک به هسته ، در مقایسه با لایه‌های دورتر ، تعداد کمتری واحد حجم را در بر می‌گیرد. احتمال شعاعی هر دو این عوامل را با هم به حساب می‌آورد.

نمودار سطح مرزی
احتمال یافتن الکترون در تمام نقاطی که از هسته به فاصله برابر مقداری است که از طریق نظریه بور برای شعاع لایه n=1 تعیین شده است. در نظریه بوهر ، فاصله‌ای است که همواره الکترون لایه n=1 از هسته دارا است. در مکانیک موجی فاصله‌ای از هسته است که الکترون در آن حضور بیشتری دارد.

از آنجا که اصولا در هر فاصله معین از هسته ، الکترون امکان حضور دارد، ترسیم ناحیه‌ای با مرز مشخص که احتمال 100 درصد وجود الکترون را در بر بگیرد، ناممکن است. اما می‌توان سطح مرزی را ترسیم کرد که بتواند نقاط با احتمال یکسان را به هم بپیوندد و در برگیرنده حجمی باشد که در آن ، احتمال یافتن الکترون زیاد و مثلا در حدود 90 درصد است. چنین شکلی که نمودار سطح مرزی نامیده می‌شود، برای الکترون اتم هیدروژن در حالت n=1 بصورت کروی می‌باشد.

انواع اوربیتال
اوربیتال S
اوربیتال‌های S دارای تقارن کروی می‌باشد، تراز n=1 حداکثر دارای دو الکترون است. بنابراین تراز فرعی 1S و 2S و 3S و... هم تقارن کروی دارند، با این تفاوت که اندازه آنها بزرگتر از اوربیتال 1S می‌باشد.

اوربیتال p
اوربیتال p از سه اوربیتال فرعی تشکیل شده است. هر اوربیتال p به شکل دو کره تغییر شکل یافته است که می‌توان آنها را در امتداد یکی از محورهای سه گانه مختصات (z,y,x) تصور کرد از این رو اوربیتال‌های p را با مشخص می‌کنند که در سه جهت مختلف قرار گرفته‌اند. اوربیتال‌های p از لحاظ انرژی برابرند و در غیاب میدان مغناطیسی نمی‌توان تفاوتی بین الکترون‌هایی که این اوربیتال‌ها را اشغال کرده‌اند قایل شد. ولی در بررسی‌های طیفی که تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، هر اوربیتال p به سه خط شکافته می‌شوند.
اوربیتال d
اوربیتال‌های d از 5 اوربیتال فرعی تشکیل شده‌اند که جهت گیری‌های متفاوتی در فضا دارند ولی از لحاظ انرژی باهم هم‌ارز هستند.

اوربیتال مولکولی
نگاه اجمالی
اوربیتال‌های مولکولی را با توجه به این که از همپوشانی کدام اوربیتال اتمی پدید آمده باشند، باحروف یونانی σ (سیگما) و π (پی) نمایش می‌دهند. موقع تشکیل یک پیوند دو اوربیتال مولکولی حاصل می‌شود که با توجه به سطح انرژی نسبت به اوربیتال‌های اتمی به اوربیتال‌های مولکولی پیوندی و ضد پیوندی شهرت دارند. به همان اندازه که اوربیتال مولکولی پیوندی ، مولکول را پایدار می‌کند، اوربیتال مولکولی ضد پیوندی باعث ناپایداری پیوندی می‌شود.

با توجه به نارساییهای نظریه پیوند ظرفیت ، هوندا در سال 1928 و مولیکن در سال 1931 نظریه دیگری بر اساس مدل موج اتم در مورد چگونگی تشکیل پیوند کووالانسی ارائه دادند که نظریه اوربیتال مولکولی نام گرفته است و به کمک آن بسیاری از خواص مغناطیسی ، ترازهای انرژی ، خواص طیفی و ... را به روشنی می‌توان توجیه کرد. در این نظریه برعکس نظریه پیوند (که فقط دخالت لایه ظرفیت اتمها را در تشکیل پیوند در نظر می‌گیرد) بر اساس این نظریه ، تمام اوربیتالهای اتم می‌تواند در تشکیل اوربیتالهای مولکولی شرکت داشته باشد و این اوربیتالها بین چندین اتم و حتی در سراسر مولکول گسترده یا غیر مستقرند.

برای مولکول نیز مانند اتم ، ترازهای انرژی در نظر گرفته می‌شود که الکترونهای مولکول آنها را مطابق اصل آفبا ، اصل طرد پائولی و قاعده هوند (همانند ترازهای انرژی در اتمها) اشغال می‌کنند. علاوه بر اوربیتالهای پیوندی و غیر پیوندی ، اوربیتالهای ضد پیوندی نیز در تشکیل پیوند و توجیه پایداری و یا ناپایداری مولکول در نظر گرفته می‌شود و به تعداد اوربیتالهای اتمی شرکت کننده ، اوربیتالهای مولکول تشکیل می‌شود.

شرایط همپوشانی اوربیتالها
برای اینکه اوربیتالهای اتمی بتوانند در حد تشکیل پیوند یکدیگر همپوشانی کنند باید دو شرط زیر درباره آنها برقرار باشد:

شرط انرژی
فقط اوربیتالهایی می‌توانند با یکدیگر همپوشانی کنند که دریک سطح انرژی قرار داشته و یا سطوح انرژی آنها به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک باشد. مثلا اوربیتال 3p یک اتم کلر میتواند فقط با اوربیتال 3p اتم دیگر کلر همپوشانی کند. اوربیتال S اتم H نمی‌تواند با اوربیتال 1S یا 2S و … اتم کلر همپوشانی کند، زیرا در سطح انرژی بالاتری نسبت به آنها قرار دارد.

شرط تقارن
فقط اوربیتالهایی می‌توانند با یکدیگر همپوشانی کنند که نسبت به محور اصلی مولکول تقارن یکسانی داشته باشند. از اینرو ، مثلا اوربیتال S که تقارن کروی دارد، در تشکیل مولکولهای خطی می‌تواند با اوربیتال 2P که نسبت به محور اصلی مولکولی (محور Z) تقارن کامل دارد همپوشانی داشته باشد.
انواع اوربیتالهای مولکولی
اوربیتال مولکولی پیوندی
اوربیتال مولکولی که در آن چگالی در ناحیه بین هسته‌ها زیاد است. انرژی دو الکترون که در اوربیتال مولکولی پیوندی قرار می‌گیرند کمتر از هنگامی است که در اوربیتالهای اتمی بوجود آورنده آن قرار گرفته باشند.

اوربیتال مولکولی ضد پیوندی
اوربیتال مولکولی که در آن چگالی الکترونی در ناحیه بین هسته‌ها کم است. انرژی دو الکترون که در اوربیتال مولکولی ضد پیوندی قرار می‌گیرند بیشتر از هنگامی است که در اوربیتالهای اتمی بوجود آورنده آن قرار گرفته باشند.

اوربیتال مولکولی غیر پیوندی
هر گاه دو اتم نتوانند به طریقی بهم نزدیک شوند که امکان همپوشانی اوربیتالهای آنها بوجود آید، همپوشانی اوربیتالها صورت نمی‌گیرد و در نتیجه ، اوربیتالهای اتمی به صورت غیر پیوندی در مولکول باقی خواهند ماند. اوربیتالهای مولکولی را نیز با حروف یونانی δ (سیگما) ، π (پی) و ... نشانه گذاری می‌کنند.


اوربیتالهای مولکولی سیگما: اگر تشکیل یک مولکول دو اتمی را از طریق نزدیک شدن اتمها در امتداد یکی از محورها مثلا x به صورت خطی در نظر بگیریم، دو اوربیتال اتمی (مثلا 1S) به یکدیگر نزدیک می‌شوند و در نتیجه همپوشانی ، دو اوربیتال مولکولی پیوندی سیگما و ضد پیوندی سیگما را به وجود می‌آورند. تمام اوربیتالهای سیگما ، نسبت به محور بین دو هسته کاملا متقارنند و چرخش مولکول به دور این محور ، تغییر قابل مشاهده‌ای در شکل اوربیتال بوجود نمی‌آورد.

نمودار تراز انرژی تشکیل اوربیتالهای مولکولی 1S δ و *1S δ از اوربیتالهای اتمی 1S دو اتم به شکل زیر می‌باشد:


اوربیتال مولکولی پیوندی نشان دهنده کاهش انرژی سیستم و اوربیتال مولکولی ضد پیوندی نشان دهنده افزایش انرژی سیستم است. هر اوربیتال مولکولی می‌تواند دو الکترون با اسپین مخالف را در خود جای دهد. در مولکول هیدروژن ، دو الکترون (با اسپینهای جفت شده) اوربیتال 1S δ را که اوربیتالی در دسترس با حداقل انرژی است اشغال می‌کنند. اوربیتال δ*1S اشغال نشده است. تعداد پیوند (مرتبه پیوند) ، در هر مولکول عبارت است از نصف تفاضل الکترونهای ضد پیوندی از الکترونهای پیوندی.

اوربیتال هیبریدی
دید کلی
طبق قانون ، عناصر با تشکیل پیوند با یکدیگر با رسیدن به آرایش هشت تایی گاز نجیب بعد از خود به پایداری می‌رسند. اما ترکیباتی مهم وجود دارند که این قانون را مکررا نقض می‌کنند. در این ترکیبات اتمهایی وجود دارند که تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت آنها بیشتر یا کمتر از هشت الکترون است.

برای توجیه ارتباط بین آرایش الکترونی حالت اصلی یک اتم و خواص ساختمانی مشاهده شده ترکیبی که این اتم تشکیل می‌دهد، دانشمندان مفهوم هیبرید شدن را مطرح کرده‌اند. هیبرید شدن یک مفهوم نظری است که نواقص ساختمان لوئیس یعنی فقدان ارتباط بین ساختمان لوئیس و ساختار هندسی مولکول را برطرف می‌کند.

بررسی اوربیتالهای مولکول متان با استفاده از نظریه VSEPR
به استثنای مواردی بسیار معدود ، پیش بینی‌هایی که بر اساس نظریه دافعه جفت الکترونی به عمل آمده است، صحیح بوده و با واقعیت انطباق دارند. مثلا نظریه مزبور پیش بینی می‌کند که مولکول متان ، چهار وجهی است، زیرا اتم مرکزی C در پوسته والانس خود چهار جفت الکترون پیوندی دارد.

شواهد تجربی بسیار ، درستی این پیش بینی را تائید کرده است. در مولکول متان چهار پیوند C-H از لحاظ طول پیوند و استحکام یکسانند و تمام زوایای پیوندی H-C-H زوایای چهار وجهی '28 ،˚109 است.

توجیه تشکیل پیوند چهار وجهی متان
طبق نظریه پیوند والانس ، هر پیوند کووالانسی ، متشکل از یک جفت الکترون (با اسپینهای مخالف) است که هر دو اتم در آن شرکت دارند. می‌توان تصور کرد پیوند کووالانسی وقتی بوجود می‌آید که یک اوربیتال (حاوی یک الکترون جفت نشده) از یک اتم با اوربیتالی (حاوی یک الکترون جفت نشده) از اتم دیگر همپوشانی می‌کند. اگر قرار باشد در این چهار چوب فکر کنیم، چگونه می‌توانیم تشکیل پیوند چهار وجهی متان توجه کنیم؟

آرایش الکترونی حالت پایه کربن است که نشاندهنده تنها دو الکترون جفت نشده است. شاید این نوع آرایش ، این تصور غلط را ایجاد کند که اتم C ، با اتمهای H تنها دو پیوند کووالانسی بوجود می‌آورد، ولی اگر یکی از الکترونهای 2s به اوربیتال خالی 2p ، ارتقا داده شود، اتم برانگیخته کربن () چهار الکترون جفت نشده لازم برای تشکیل چهار پیوند C-H را تامین خواهد کرد. چگونه می‌توان بر پایه این حالت برانگیخته اتم کربن تشکیل پیوند را در توجیه کرد؟

فرض می‌کنیم هر اوربیتال پیوندی مولکول ، نتیجه همپوشانی یک اوربیتال اتمی C و یک اوربیتال 1s اتم H است. چون چهار اوربیتال پیوندی چهار وجهی متان هم ارزند، پس چهار اوربیتال اتمی کربن که آنها را بوجود آورده‌اند، نیز باید دقیقا یکسان باشند و محورشان در امتدادی باشد که با یکدیگر زوایای '28،˚109 تشکیل دهد، اما اوربیتال 2s و اوربیتالهای 2p اتم کربن نه یکسان هستند و نه در امتداد گفته شده ، جهت گیری کرده‌اند. بنابراین نمی‌توانیم نحوه تشکیل پیوند را به این صورت ساده تجسم کنیم