Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ. Σημαντικές Κατηγορίες Χημικών Ουσιών: Συμπλόκες Ενώσεις(συνέχεια) ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΕΣ ΔΙΕΥΚΡΙΝΗΣΕΙΣ :Ατομικά και εκφυλισμένα ατομικά τροχιακά, ενεργειακοί κόμβοι

Δήμητρα Σπανού, χημικός, συνταξιούχος καθηγήτρια Μέσης Εκπαίδευσης από 30-6-2025

ΑΤΟΜΙΚΑ ΚΑΙ ΕΚΦΥΛΙΣΜΕΝΑ ΑΤΟΜΙΚΑ  ΤΡΟΧΙΑΚΑ

Τα ατομικά τροχιακά που είναι περιοχές του χώρου που περιβάλλουν τον πυρήνα ενός ατόμου στις οποίες είναι μεγαλύτερη η πιθανότητα για την εύρεση ενός ηλεκτρονίου καθώς και την ενεργειακή κατάσταση ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων . 

Αποτελούν δε την επίλυση της εξίσωσης   Schrondinger για το   άτομο του υδρογόνου και καθορίζεται από τους τέσσερες κβαντικούς αριθμούς

Είναι σημαντικά γιατί καθορίζουν τις ιδιότητες των ατόμων (μέγεθος, σχήμα, ιδιότητες, χημική δραστηριότητα, ηλεκτρονιακή κατανομή στοιχείων στον περιοδικό πίνακα

 1. τον κύριο κβαντικό αριθμό n .Το σύνολο των ατομικών τροχιακών με ίδιο n αποτελεί ένα κέλυφος ηλεκτρονίων. Καθορίζει την τροχαιά του ηλεκτρονίο (απόσταση από πυρήνα) και έχει καθοριστικό ρόλο στην διαμόρφωση της ενέργειακής στάθμης  του ηλεκτρονίου εφόσον από αυτόν καθορίζονται οι ελκτικές δυνάμεις πυρήνα -ηλεκτρονίων.

Η σταθερότητα των ενεργειακών επιπέδων και η ευδιακριτότητά τους εξαρτάται από τις επιδράσεις που δέχονται. Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια δέχονται τον ισχυρή δύναμη του πυρήνα και παρουσιάζουν κάποια θόλωση. Ταυτόχρονα προστατεύονται από τα εξωτερικό κέλυφος. Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια στο κέλυφος επιρεάζονται λιγότερο από τον πυρήνα και περισσότερο απο εξωτερικά πεδία και έτσι υφίστανται επίσης θόλωση.

 2, τον δευτερεύωντα κβαντικό αριθμό l, που καθορίζει το σχήμα του ηλεκτρονιακού νέφους (τροχιακό) .Ατομικά τροχιακά με το ίδιο l aποτελούν υποτοιβάδα ή υποφλοιό . Παίζει ρόλο στην διαμόρφωση της ενεργειακής στάθμης  του ηλεκτρονίου γιατί το σχήμα του ηλεκτρονιακού νέφους καθορίζει τις απώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων   

Το σχήμα είναι σφαιρικό για  (S) , σε σχήμα αλτήρα (τα p) σχήμα τριφύλλιi (τα d) 

3.τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό  ml που καθορίζει τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους (τροχιακό) . Κάθε τιμή του m αντιστοιχεί σε ένα ατομικά τροχιακό . Παίζει ρόλο 

στην διαμόρφωση της ενεργειακής στάθμης  του ηλεκτρονίου γιατί ο προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους καθορίζει τις απώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων  

4. τον κβαντικό αριθμό του spin ms  καθορίζει την ιδιοστροφορμή του ηλεκτρονίου και δεν συμμετέχει στην διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας του ηλεκτρονίου

Η τοποθέτηση των ηλεκτρονίων στα ατομικά τροχιακά σύμφωνα με την αρχή της ελαχίστης ενέργειας

Την σειρά τωνν ατομικών τροχιακών από αυτά της χαμηλότερης ενέργειας (1s) προς αυτά με την υψηλότερη  ενεργειακή κατάσταση

Τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου τοποθετούνται ώστε κάθε επόμενο ηλεκτρόνιο να καταλαμβάνει ένα ελεύθερο ατομικά τροχιακά με την αμηλότερη ενέργεια (αρχή ελαχίστης ενέργειας) ενώ σε κάθε τροχιακό  μπορούν να τοποθετηθούνένα έως δύο ηλεκτρόνια με αντιπαράλληλα spin. Tα ατομικά τροχιακά οργανώνονται σε υποεπίπεδα Οι τύποι τους είναι οι εξής: s, p, d, f, με διαφορετικό σχήμα προσανατολισμό και ενέργεια

Ενεργειακοί κόμβοι σε ατομικά τροχιακά

Ακτινικοί και γωνιακοί κόμβοι

Καθώς το ηλεκτρόνιο κινείται στα ατομικά τροχιακά και δίνει την εντύπωση ενός ηλεκτρικού σύνεφο (σφαιρικά, ή αλτήρες (λωβοί) , τριφύλλι),   υπάρχουν περιοχές κοντά στον πυρήνα που το ηλεκτρόνιο δεν κινείται και το νέφος αυτό εξαφανίζεται και λέγονται κόμβοι. 

Κόμβοι είναι περιοχές των τροχιακών που η πιθανότητα εύρεσης ηλεκτρονίων είναι μηδαμινή

Υπάρχουν κόμβοι ακτινικοί και γωνιακοί

Ακτινικοί κόμβοι είναι περιοχές γύρω από τον πυρήνα που η ηλεκτρονιακή πυκνότητα είναι μηδέν. Υπάρχουν τέτοιοι σε όλα τα τροχιακά τα οποία είναι δυνατόν να φωτογραφηθούν σαν ηλεκτρονιακά νέφη οπότε οι ακτινωτοί κόμβοι  εμφανίζονται σαν ενδιάμεσα κενά. Καθώς το r  αυξάνεται και τα ηλεκτρονιακά νέφη μεγαλώνουν και απομακρύνονται από τον πυρήνα ο αριθμός των ακτινικών κόμβων. Τα τροχιακά 4s, 5s, 6s αναμένεται να έχουν 3, 4, και 5 κόμβους

Από τα d τροχιακά τα dyz, dxy, dxz δεν έχουν ακτινικούς κόμβους.

Η Αύξηση των κόμβων έχει σαν αποτέλεσμα την άσκησης εντονότερης έλξης από τον πυρήνα στα εξωτερικά ηλεκτρόνια. Σε τέτοια άτομα με αυξημένο αριθμό κόμβων όπως οι λανθανίδες τα εξωτερικά  ηλεκτρόνια δεν θωρακίζονται αποτελεσματικά και η αυξημένη έλξη του πυρήνα τους έχει σαν αποτέλεσμα την λεγόμενη "συστολή των λανθανίδων" 

Οι γωνιακοί κόμβοι είναι επίσης επίπεδα ή επιφάνειες που η ηλεκτρονιακή πυκνότητα είναι μηδέν αλλά σε ορισμένες κατευθύνσεις

Οι γωνιακοί κόμβοι σχετίζονται με την γωνιακή ορμη και δεν υπάρχουν σε σφαιρικά  s υπάρχει ένας στα p τροχιακά δύο στα d τροχιακά και τρεις στα f τροχιακά

Εκφυλισμένα ατομικά τροχιακά ενός απομονωμένου ατόμου

Σε απομονωμένα άτομα η ενέργεια των ατομικών τροχιακών τους εξαρτάται μόνο από τις τιμές του κύριου κβαντικού αριθμού n. 

Ειναι δυνατόν να υπάρχουν πολλά ανεξάρτητα τροχιακά που να είναι ίδια ως προς την ενέργεια (ιδιο n) αλλά διαφέρουν στον προσανατολισμό τους στο χώρο (διαφορετικό l). Αντιστοιχούν στο ίδιο επιτρεπόμενο ενεργειακά επίπεδα και αυτό σημαίνει ότι έχουν την ίδια ικανότητα να αλληλεπιδρούν με ηλεκτρόνια. Ο αριθμός τους ονομάζεται βαθμός εκφυλισμού. Εννοείται ότι σε ένα απομονωμένο άτομο, τα ατομικά τροχιακά s  δεν έχουν βαθμό εκφυλισμού , τα p έχουν τριπλό και τα d μπορεί να  έχουν πενταπλό και τα f επταπλό. 

Τα εκφυλισμένα τροχιακά επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να τα καταλαμβάνουν το ίδιο, και  επιρρεάζει την γεωμετρία και τις  χημικές αντιδράσεις

Άρση του εκφυλισμού των ατομικών τροχιακών

Ο εκφυλισμός των ατομικών τροχιακών όμως παραμένει όσο το άτομο βρίσκεται σε ελεύθερη κατάσταση.

Εάν τοποθετηθεί σε ένα αρκετά ισχυρό εξωτερικό πεδίο, ηλεκτρικό ή μαγνητικό , αυτόνομο ή  πεδίο που προκαλείται από τις επιδράσεις  άλλων ατόμων , τότε ο εκφυλισμός των επιπέδων ενέργειας αφαιρείται εν μέρει ή πλήρως Αυτό λέγεται άρση του εκφυλισμού.

Ίδια επίδραση πεδίων δέχεται εάν βρίσκεται κοντά σε άλλα άτομα και υφίσταται τις επιδράσεις τους

Ας δούμε πως ερμηνεύεται αυτό. Ένα τέτοιο ηλεκτρικό ή μαγνητικό είτε εξωτερικό πεδίο θα επιρεάσει διαφορετικά ηλεκτρόνια που είναι διαφορετικά προσανατολισμένες οι τροχαιές τους, δηλαδή με διαφορετικό ml. 

Tα ενεργειακά επίπεδα θα διαφοροποιηθούν ως προς την θέση τους και θα εμφανιστούν υποεπίπεδα. Ο αριθμός των  υποεπιπέδων θα είναι ισος με τον αριθμό των πανομοιότυπων τροχαιών με τον συγκεκριμένο διαφορετικό προσανατολισμό, δηλαδή τον αριθμό των πιθανών τιμών του κβαντικού αριθμού ml. Δηλαδή θα είναι ap;o  -l...0...l  = 2l +1

Aν για παράδειγμα είμαστε στο επίπεδο 3d τότε έχουμε n=3, l=2   kai 2l+ 1 =5 τοml παίρνει 5 τιμές: -2, -1, 0, +1, +2

Για τον 3p έχουμε  n=3, l=1   kai 21+ 1 =3 τοml παίρνει 3 τιμές:  -1, 0, +1, 

Μια τέτοια διαδικασία όπου εισάγουμε έναν τρόπο να διακριθούν τα επίπεδα λέγεται άφαίρεση ή άρση του εκφυλισμού

Με την άρση του εκφυλισμού τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων διαφοροποιούνται για τους εξής λόγους 1. κατεύθυνση κίνησης Σε ηλεκτρόνιο που κινείται στον άξονα x με ενέργεια W₀ επιδρά ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο που επιρρεάζει ασκώντας  εξωτερική ενέργεια eEx  με δύο τρόπους : Ενισχύει την κατεύθυνση της κίνησης και η ενέργειά του γίνεται (W= W₀+ eE_x) ή αντιτίθεται  (W=W₀ - eE_x)

Τα επίπεδα των εκφυλισμένων τροχιακών μπορεί ακόμα να δεχθούν επιρροή από εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ώστε να διαφοροποιηθούν

Προσδιορισμός των ατομικών τροχιακών ως προς την θέση τους σε σχέση με τους καρτεσιανούς άξονες σύμφωνα με την συνάρτηση Schrondinger ψ_nlml

Για τα 3 p ατομικά τροχιακά  (px, py, pz) που έχουν σχήμα αλτήρα (λωβού) και βρίσκονται πάνω στους άξονες x, y, z,  η ενέργειά τους περιγράφεται από τους 4 κβαντικούς αριθμούς n, l. ml, ms. 

Ηλεκτρόνιο 1 =(2, 1. 1, 1/2)  ίδιο σχήμα ίδιος  προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά 

ηλεκτρόνιο 2 = (2, 1. 1, -1/2) , ίδιο σχήμα ίδιος προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά

2p_x: n=2, =1: .

 ατομικό τροχιακό py έως 2 ηλεκτρόνια

ηλεκτρόνιο 1= (2, 1. -1, 1/2)  ίδιο σχήμα διαφορετικός προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά

ηλεκτρόνιο  2  (2, 1. -1, -1/2)  ιίδιο σχήμα διαφορετικός προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά

 

2p_y: n=2, =1: .

)νο τρίτο τροχιακό pz

1ο ηλεκτρόνιο  (2, 1, 0,1/2)  ίδιο σχήμα διαφορετικός προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά 

 (2, 1, 0,-1/2) , ίδιο σχήμα διαφορετικός προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά

2p_z: n=2, =1: 

Για τα d ατομικά τροχιακά  (d_x²-y², d_xz,  d_xy,  d_yz, d_z²)

Τα  ατομικά τροχιακά d με σχήμα τριφυλλιού είναι 5 και σε αντίθεση με τα p υπάρχει αξιοσημείωτη διαφορά στα γεωμετρικά τους σχήματα (σχήμα) και την θέση τους σε σχέση με τους καρτεσιανούς άξονες και τις προβολές τους περιγράφεται με την σηματοδότησή τους

τροχιακό dxz

Ηλεκτρόνιο 1 =(3, 2. 1, 1/2) ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά 

ηλεκτρόνιο 2 = (3, 2,  1, -1/2)  ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά 

τροχιακό dyz

Ηλεκτρόνιο 1 =(3, 2, -1, 1/2) ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά 

ηλεκτρόνιο 2 = (2, 1, -1, -1/2)  ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά 

τροχιακό d_z²

Ηλεκτρόνιο 1 =(3, 2, ,0, 1/2) ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά 

ηλεκτρόνιο 2 = (3, 2,  0, -1/2)  ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά 

τροχιακό d x2-y2

Ηλεκτρόνιο 1 =(3, 2, 2 , 1/2) ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά 

ηλεκτρόνιο 2 = (3, 2. 2-1/2)  ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά 

τροχιακό dxy

Ηλεκτρόνιο 1 =(3, 2. --2, 1/2) ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής δεξιά 

ηλεκτρόνιο 2 = (3, 2, -2, -1/2)  ιδια ενέργεια, ίδιο σχήμα  προσανατολισμός φορά περιστροφής αριστερά 

Για τα f ατομικά τροχιακά  

fx(x³-3y²)  fz(x²-y²)  fxz²  fz2   fyz²  fxyz  fy(y²-3x²

Δήμητρα Σπανού

ΠΗΓΕΣ

https://dlefkad.blogspot.com/2017/02/blog-post.html

Τι είναι τα εκφυλισμένα τροχιακά; - Maestrovirtuale.comΤι είναι τα εκφυλισμένα τροχιακά; - Maestrovirtuale.com

ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ - ΟΙ ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΑ ΤΡΟΧΙΑΚΑ | PDF

Ατομικά τροχιακά: από τι αποτελούνται και τύποι - Maestrovirtuale.com

https://rateli.ru/books/ite