CE SUNT ORBITALII DEGENERAȚI? - CHIMIE - 2025

De orbitali degenerate sunt cei care sunt la același nivel de energie. Conform acestei definiții, acestea trebuie să aibă același număr cuantic principal n. Astfel, orbitalele 2s și 2p sunt degenerate, deoarece aparțin nivelului energetic 2. Cu toate acestea, se știe că funcțiile lor unghiulare și radiaționale sunt diferite.

Pe măsură ce valorile n cresc, electronii încep să ocupe alte subnivele de energie, cum ar fi orbitalii d și f. Fiecare dintre aceste orbitale au propriile caracteristici, care la prima vedere pot fi văzute în formele lor unghiulare; Acestea sunt figurile sferice, gantere (p), trifoi (d) și globulare (f).

Sursa: Gabriel Bolívar

Între ele, există o diferență energetică, chiar aparținând aceluiași nivel n.

De exemplu, imaginea de mai sus arată o schemă de energie cu orbitalii ocupați de electroni neperecheți (un caz anormal). Se poate observa că dintre toate cele mai stabile (cel cu cea mai mică energie) este orbitalul ns (1s, 2s, …), în timp ce nf este cel mai instabil (cel cu cea mai mare energie).

Degenerate orbitale ale unui atom izolat

Orbitalii degenerați, cu aceeași valoare a lui n, se află în aceeași linie într-o schemă energetică. Din acest motiv, cele trei dungi roșii care simbolizează orbitalele p sunt situate pe aceeași linie; la fel ca și dungi purpurii și galbene în același mod.

Diagrama din imagine încalcă regula lui Hund: orbitalele cu energie mai mare sunt umplute cu electroni, fără să le împerecheze mai întâi la cele cu energie mai mică. Pe măsură ce electronii se împerechează, orbitalul pierde energie și exercită o repulsie electrostatică mai mare asupra electronilor neperecheți ai celorlalte orbite.

Cu toate acestea, astfel de efecte nu sunt luate în considerare în multe diagrame energetice. Dacă da, și respectând regula lui Hund fără a completa complet orbitalele d, s-ar vedea că acestea încetează să degenereze.

După cum am menționat anterior, fiecare orbital are propriile sale caracteristici. Un atom izolat, cu configurația sa electronică, are electronii săi aranjați în numărul precis de orbite pentru a le acomoda. Doar cei egali cu energie pot fi considerați degenerați.

Orbitali p

Cele trei dungi roșii pentru orbitalele p degenerate din imagine indică faptul că ambele p _x , p _și p _z au aceeași energie. Există un electron nepereche în fiecare, descris de patru numere cuantice (n, l, ml și ms), în timp ce primii trei descriu orbitalii.

Singura diferență dintre ele este notată prin ml moment magnetic, care trasează calea p _x pe axa x, p _y pe axa y și p _z pe axa z. Toate trei sunt aceleași, dar diferă doar în orientările lor spațiale. Din acest motiv, ele sunt întotdeauna aliniate în energie, adică degenerează.

Deoarece sunt egali, un atom de azot izolat (cu configurația 1s ² 2s ² 2p ³ ) trebuie să mențină cei trei orbitali p degenerați. Cu toate acestea, scenariul energetic se schimbă brusc dacă se consideră un atom de N într-o moleculă sau un compus chimic.

De ce? Deoarece, deși p _x , p _și p _z sunt egale în energie, poate varia în fiecare dintre ele dacă au medii chimice diferite; adică dacă se leagă de atomi diferiți.

Orbitali d

Există cinci dungi purpurii care indică orbitalele d. Într-un atom izolat, chiar dacă au electroni împerecheți, acești cinci orbitali sunt considerați degenerați. Cu toate acestea, spre deosebire de orbitalele p, de această dată există o diferență marcată în formele lor unghiulare.

Prin urmare, electronii săi călătoresc direcții în spațiu care variază de la un orbital la altul. Acest lucru determină, conform teoriei câmpului cristalin, că o perturbare minimă provoacă o dublare energetică a orbitalelor; adică cele cinci dungi purpurii se separă, lăsând un decalaj de energie între ele:

Sursa: Gabriel Bolívar

Care sunt orbitalii de sus și care sunt orbitalii de jos? Cele de mai sus sunt simbolizate ca e _g , iar cele de sub t _2g . Rețineți cum inițial toate fâșiile violet au fost aliniate, iar acum s-a format un set de două orbitale e _g mai energice decât celălalt set de trei t _2g orbitali .

Această teorie ne permite să explicăm tranzițiile dd, la care sunt atribuite multe dintre culorile observate în compușii metalelor de tranziție (Cr, Mn, Fe, etc.). Și la ce se datorează această deranjare electronică? Pentru interacțiunile de coordonare a centrului metalic cu alte molecule numite liganzi.

Orbitali f

Și odată cu f orbitalii, dungi galbene simțite, situația devine și mai complicată. Direcțiile lor spațiale variază mult între ele, iar vizualizarea legăturilor lor devine prea complexă.

De fapt, f orbitalele sunt considerate a fi atât de învelite în interior, încât nu „participă în mod considerabil” la formarea de legături.

Când atomul izolat cu f orbitali se înconjoară de alți atomi, interacțiunile încep și se desfășoară (pierderea degenerarii):

Sursa: Gabriel Bolívar

Rețineți că acum dungile galbene formează trei seturi: t _1g , t _2g și _1g și că nu mai degenerează.

Degenerate Orbitale hibride

S-a văzut că orbitalii se pot desfășura și pot pierde degenerarea. Cu toate acestea, în timp ce acest lucru explică tranzițiile electronice, este de dorit să elucidăm cum și de ce există diferite geometrii moleculare. Aici intră orbitali hibrizi.

Care sunt principalele sale caracteristici? Că sunt degenerați. Astfel, ele provin din amestecul de caractere ale orbitalelor s, p, d și f, pentru a genera hibrizi degenerați.

De exemplu, trei orbitali p se amestecă cu un s pentru a da patru orbitale sp ³ . Toți orbitalii sp ³ sunt degenerați și, prin urmare, au aceeași energie.

Dacă, în plus, două d orbitale sunt amestecate cu cele patru sp ³ , vom obține șase orbitale sp ³ d ² .

Și cum explică geometriile moleculare? Deoarece există șase, cu energii egale, ele trebuie, prin urmare, să fie orientate simetric în spațiu pentru a genera medii chimice egale (de exemplu, într-un compus MF ₆ ).

Când o fac, se formează un octaedru de coordonare, care este egal cu o geometrie octaedrică în jurul unui centru (M).

Cu toate acestea, geometriile sunt adesea denaturate, ceea ce înseamnă că chiar și orbitalii hibrizi nu sunt cu adevărat degenerați complet. Prin urmare, prin concluzie, orbitalii degenerați există doar în atomi izolați sau în medii extrem de simetrice.

Referințe

1. Dicționar Chemicool. (2017). Definiția Degenerate. Recuperat de la: chemicool.com
2. SparkNotes LLC. (2018). Atomi și orbitali atomici. Recuperat de la: sparknotes.com
3. Chimie pură. (Sf). Configurație electronică. Recuperat de la: es-puraquimica.weebly.com
4. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Învățare.
5. Moreno R. Esparza. (2009). Curs de chimie de coordonare: câmpuri și orbitale. . Recuperat de la: depa.fquim.unam.mx
6. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.