background image

 

 

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

ORBITALE 

I LICZBY KWANTOWE

Orbitale  i  liczby  kwantowe.  Orbital  jako  funkcja  falowa 
opisująca  stan  elektronu  w  atomie.  Liczby  kwantowe  n,  l, 
m,  s
  -  ich  sens  fizyczny  i  możliwe  wartości.  Rozkłady 
gęstości  elektronowej  dla  orbitali  typu  s,  p  i  d.  Zakaz 
Pauliego. 

Energie 

orbitali 

atomowych. 

Struktury 

elektronowe atomów i jonów. 

background image

 

 

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

.

Dalton (1803)

atom

Thomson (1904)

 

ładunki „+” i „–”

Rutherford (1911)

 

jądro atomu

Bohr (1913)

 

model stacjonarny

 

Schrödinger (1926)

 

falowy opis 

elektronu w atomie

Przypomnienie:

Louis de Broglie: 

Z ruchem każdej 

cząstki 
o masie 

m

 i prędkości 

v

  

(pędzie

 

p

)

 

związana 

jest fala o długości 

p

h

mv

h

background image

 

 

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

FALA I JEJ OPIS MATEMATYCZNY

Jak wygląda i jaką funkcją jest opisana fala elektronu w atomie?

y

FALA 

ELEKTROMAGNETYCZNA

 = v·T

T

T

v

T

1

- okres

 

- długość fali

– prędkość fali

ν 

– częstość fali

Przykład:

y = sinα

background image

 

 

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

MECHANIKA KWANTOWA (1925-1926)

Erwin Schrödinger (1887-1961) 

Opis obiektów o bardzo małych masach i 
rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne dla 
których nie stosuje się mechanika klasyczna. 

POSTULATY 

(podstawy) 

mechaniki 

kwantowej

Mechanika kwantowa to matematyczny model rzeczywistości

RZECZYWISTOŚĆ

MECHANIKA KWANTOWA

Cząstka – np. elektron

Funkcja falowa                  

Ψ

Wielkość mierzalna – np. 

energia,

Operator energii                

Ĥ

Pomiar wielkości mierzalnej 
– np. pomiar energii 

E

 cząstki

Równanie                 

Ĥ Ψ = 

E Ψ

Schrödingera 

liczba, 
np. 3,4 eV

background image

 

 

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

Funkcja falowa 

Ψ

 zawiera informacje o elektronie, 

FALOWY OPIS ELEKTRONU W ATOMIE

2

ρ – gęstość prawdopodobieństwa

P = ρ·dV

dV – nieskończenie mała objętość 

wokół danego punktu

x

y

z

(x

o

, y

o

,z

o

)

dV

dV

P

2

z

,

y

,

x

z

,

y

,

x

0

0

0

0

0

0

w tym informację o prawdopodobieństwie 

P

 

znalezienia elektronu w danym punkcie

Prawdopodobieństwo znalezienia 

elektronu w punkcie 

(x

o

, y

o

, z

o

)

0

0

0

0

0

0

z

,

y

,

x

2

z

,

y

,

x

dV

P

0

0

0

0

0

0

z

,

y

,

x

z

,

y

,

x

background image

 

 

Funkcja falowa 

Ψ

 

opisuje realny układ (np. elektron) a więc

funkcja 

Ψ

 musi być porządna

SKOŃCZONA

Ψ

 powinna być:

|Ψ|

2

 ≠ +∞, 

Uzasadnienie

Prawdopodobieństwo 
znalezienia elektronu nie 
może być nieskończenie 
wielkie; może co najwyżej być 
równe 1 (100%)

CIĄGŁA

|Ψ|

2

 – 

bez "uskoków"

Prawdopodobieństwo 
znalezienia elektronu w 
dwóch sąsiednich punktach 
nie może się znacznie różnić

JEDNOZNACZNA

|Ψ|

2

 – 

w każdym 

punkcie tylko 
jedna wartość

Prawdopodobieństwo 
znalezienia elektronu w 
dowolnym punkcie nie 
może mieć dwóch 
różnych wartości

Przykłady 

negatywne

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

background image

 

 

2

h

1

l

l

M

Dalsze warunki dla funkcji falowej 

Ψ

Funkcja falowa 

Ψ 

musi spełniać równanie

 

Schrödingera

 

Ĥ Ψ = E Ψ

wobec tego:

Energia elektronu w atomie wodoru 

Moment pędu elektronu (orbitalny)

Składowa 

M

z

 momentu pędu 

elektronu

n

 – główna liczba kwantowa

W modelu Bohra: 

n

 – numer orbity

n

 

= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,...

l

 

= 0,  1,  2,  3,... 

n – 1

     

s,  p,  d,   f

– l

 

≤ 

m

 ≤ 

+ l  

(co 1) 

l

 – poboczna (orbitalna) liczba kwantowa

m

 – magnetyczna liczba kwantowa

r

v

M = r

x

mv

z

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

M

M

z

2

h

m

M

z

2

2

2

2

0

4

e

n

1

n

h

8

e

m

E

m

background image

 

 

Funkcja falowa 

Ψ

n,l,m

 

– 

ORBITAL

Jakie ORBITALE 
(funkcje 

Ψ

n,l,m

 

),

o jakich 
konkretnych 
liczbach 

n, l, m 

są możliwe? 

n

 = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 

7,...

    – l ≤ 

m

 ≤ + l  

(co 1)   

l

 

= 0, 1,  2,  3.. 

n – 1

     

s, p, d,  f

Powłoka

Podpowłoka

n  

l

m

ORBITA

L

Liczba 

orbitali

s, p, d, f

1

0

0

1s

1 (s)

2

0

0

2s

1 (s)

2

1

±1

2p

x

2p

y

2

1

0

2p

z

3

0

0

3s

 1 (s)

3

1

±1

3p

x

3p

y

3

1

0

3p

z

3

2

±1

3d

xz

 

3d

yz

3

2

±2

3d

xy

 3d

x2-y2

3

2

0

3d

z2

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

3 (p)

3 (p)

5 (d)

background image

 

 

Funkcja falowa 

Ψ

n,l,m

 

– 

ORBITAL

– Jakie "wyglądają" ORBITALE ? 
– Gdzie najczęściej przebywają elektrony przypisane do danego orbitalu ?
– Jaki jest rozkład gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu ? 

90

)

,

(

)

(

,

,

,

,

m

l

l

n

m

l

n

Y

r

R

Funkcja RADIALNA

Funkcja KĄTOWA

Funkcja falowa 

Ψ

n,l,m

 

we współrzędnych sferycznych

2

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

z

x

y

background image

 

 

r

2

1

2

)

r

(

R

,

r

)

,

(

)

(

,

,

,

,

m

l

l

n

m

l

n

Y

r

R

Funkcja RADIALNA

Funkcja KĄTOWA

r

2

1

3

)

r

(

R

,

r

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

Przekrój atomu

background image

 

 

2

m

,

l

)

,

(

Y

)

,

(

)

(

,

,

,

,

m

l

l

n

m

l

n

Y

r

R

Funkcja RADIALNA

Funkcja KĄTOWA

Y

0,m

Y

1,m

Y

2,m

d

p

s

z

x

y

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

background image

 

 

Orbitale Y

3,m

 → 

f

l=3 

m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

7 orbitali

 

f

)

,

(

)

(

,

,

,

,

m

l

l

n

m

l

n

Y

r

R

Funkcja RADIALNA

Funkcja KĄTOWA

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

To tylko 

ilustracja;

orbitali f nie 

trzeba znać!

background image

 

 

y

3
p

y

2
p

y

z

z

y

Złożenie funkcji

 

R

n,l

 i 

Y

l,m

3
p

y

R

3,1

)

,

(

)

(

,

,

,

,

m

l

l

n

m

l

n

Y

r

R

Funkcja RADIALNA

Funkcja KĄTOWA

p

y

Y

1,m

PROSTY

SPOSÓB

RYSOWANIA 

ORBITALI

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

Nałożenie funkcji 

Y

 na funkcję 

R

background image

 

 

Orbital

 

s

Informację o położeniu różnych orbitali względem siebie 
podaje 

funkcja  KĄTOWA.

  Z  tego  powodu,  orbitale  często  rysuje 

się 

jako

płaskie  przekroje  wzdłuż  odpowiednich  osi  lub 
płaszczyzn.

Orbitale

 

p

Orbitale

 

d

Uwaga, na właściwe 

oznaczenie 

osi współrzędnych!

x

z

s

+

p

x

x

+

y

p

y

+

z

p

z

+

2

2

y

x

d

x

y

+

+

xy

d

x

y

+

+

xz

d

x

z

+

+

yz

d

z

y

+

+

2

z

d

z

+

+

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

Orbitale (jako funkcje) mają fragmenty dodatnie (

+

) i ujemne (

)

lub

s

+

background image

 

 

Przykłady funkcji falowych 

Ψ

 

dla konkretnych liczb kwantowych 

n,l,m

n=1, l=0  orbital 

1s

n=2, l=1  orbital 

2p

y

n=3, l=1  orbital 

3p

y

Konkretną funkcję 

Ψ

n,l,m

 

można wstawić do równania Schrödingera 

Ĥ Ψ

n,l,m

 = E

n,l,m

 Ψ

n,l,m

i obliczyć jaką energię 

E

n,l,m

 

będzie miał elektron opisany funkcją 

Ψ

n,l,m

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

cos

sin

e

a

r

a

r

a

a

r

p

y

0

3

0

0

3

0

3

3

2

4

2

27

1





0

3

0

1

1

a

r

s

e

a

cos

sin

e

a

r

a

a

r

p

y

0

2

0

3

0

2

2

4

1

To tylko ilustracja;

wzorów nie trzeba znać!

background image

 

 

ENERGIE ORBITALI ATOMOWYCH 

Ψ

n,l,m

Diagram 

poziomów 

energetycznych 

- orbital 

Ψ

n,l,m

n

  

l m

ORB

4 0 0

4s

2 0 0

2s

2 1 ±

1

2p

x

2p

y

2 1 0

2p

z

3 0 0

3s

3 1 ±

1

3p

x

 3p

y

3 1 0

3p

z

3 2 ±

1

3d

xz

 

3d

yz

3 2 ±

2

3d

xy

 3d

x2-

y2

3 2 0

3d

z2

E

1s

2s

2p

3s

4s

5s

6s

3p

4p

5p

4d

4f

7s

6p

5d

5f

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

Przypomnienie:

1 0 0

1s

3d

NIE!

NIE!

4f ?

6d

pierw. sztuczne

background image

 

 

Ustalanie 

kolejności

energetycznej

orbitali

ENERGIE ORBITALI ATOMOWYCH 

Ψ

n,l,m

E

1s

2s

2p

3s

4s

5s

6s

7s

3p

4p

5p

6p

3d

4d

5d

4f

5f

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d 6f

7s 7p 7d 7f

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

6d

background image

 

 

ENERGIE ORBITALI ATOMOWYCH I ICH POŁOŻENIE WZGLĘDEM JĄDRA 

r

1

2

3

4

5

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

6

7

E

N

E

R

G

IA

background image

 

 

Elektrony w atomie wykorzystują orbitale o możliwie najniższej 
energii.

Ile elektronów może: – wykorzystać ten sam orbital? 

        

        – obsadzić ten sam poziom 

energetyczny?

Układ o niższej energii jest bardziej trwały.

• Zakaz  Pauliego:
   

W atomie  nie  może  być  elektronów,  dla których 

wszystkie liczby  kwantowe  byłyby  takie  same. 

    Elektrony  muszą  różnić  się  przynajmniej  jedną  

liczbą  kwantową.

Tylko 1 elektron na danym orbitalu 

Ψ

n,l,m

?

NIE 
!

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

background image

 

 

SPIN ELEKTRONU

m

s

 

= +1/2

m

s

 

= –1/2

Otto Stern 

(1888-1969) 

Walter Gerlach 

(1889-1979) 

Elektron posiada własny moment pędu S zwany spinem

2

h

1

s

s

S

2

1

s

Składowa 

S

z

 spinowego momentu pędu 

elektronu

– s

 

≤ 

m

s

 ≤ 

+ s  

(co 1) 

m

s

 – magnetyczna liczba spinowa

2

h

m

S

s

z

m

s

 

= +1/2

lub 

m

s

 

= –1/2

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

SPIN

„dodatni”

„ujemny”

background image

 

 

ELEKTRON w atomie opisany jest 4 liczbami kwantowymi:

n         l        m         m

s

Zakaz  Pauliego:
   

Elektrony  w atomie muszą  różnić  się  

przynajmniej  jedną z czterech liczb kwantowych.

WNIOSEK

Każdy orbital o konkretnych liczbach 

n, l, m

 może 

pomieścić dwa elektrony różniące się liczbą spinową 

m

s

 (+1/2 i –1/2)

- orbital 

Ψ

n,l,m

m

s

 =

2

1

2

1

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

Elektrony

SPAROWANE

główna

poboczna

(orbitalna)

magnetyczna

spinowa

background image

 

 

STRUKTURY ELEKTRONOWE ATOMÓW

1s

2s

3s

3p

x

2p

x

2p

y

2p

z

3p

y

3p

z

H

He

Li

Be

E

B

C

?

Umieszczenie drugiego elektronu na orbitalu 2p

x

 

wymaga dodatkowej energii (trzeba pokonać 
odpychanie się elektronów). Bardziej korzystne jest 
umieszczenie ostatniego elektronu na orbitalu 2p

y

Daje to całkowity spin = 1.

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Reguła HUNDA ("maksymalnego spinu")
           Elektrony obsadzają orbitale o jednakowej 
energii najpierw pojedynczo, ze spinami 
ustawionymi równolegle 

(elektrony mają tą samą 

liczbę spinową

 

m

s

).

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

background image

 

 

1s

2s

2p

6

liczba elektronów

1s

2s

2p

2

Skrócony zapis

STRUKTURY (konfiguracji) ELEKTRONOWEJ ATOMU

1s

2s

2p

x

2p

y

2p

z

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

E

C:

Ne:

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d 6f

7s 7p 7d 7f

Dowolny atom, np: Fe 

– numer w układzie okresowym = liczba elektronów = 

26 

– szereg energetyczny orbitali aż do 26 elektronów 

1s

2

Fe:

Suma el.

2

4

10 12

18 20 26

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

3d

6

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

4s

2

background image

 

 

1s

2s

2p

3s

3p

4s

2

 3d

6

STRUKTURA (konfiguracja) ELEKTRONOWA JONU

Fe:

Fe

2+

─2e

które 2 elektrony należy oderwać?

?

Atom traci elektrony ZEWNĘTRZNE !

1s

2s

2p

3s

4s

5s

3p

4p

5p

3d

4d

1

2

3

4

n = 

1s

2s

2p

3s

3p

3d

6

─1e

Fe

3+

1s

2s

2p

3s

3p

3d

5

Wykład 6 – ORBITALE I LICZBY KWANTOWE

─1e

1s

2s

2p

3s

3p

4s

2

 3d

6


Document Outline