ORBITAL ATOM: TERDIRI DARI APA DAN JENISNYA - KIMIA - 2025

The orbital atom adalah daerah-daerah dari atom didefinisikan oleh fungsi gelombang untuk elektron. Fungsi gelombang adalah ekspresi matematika yang diperoleh dari penyelesaian persamaan Schrödinger. Ini menjelaskan keadaan energi satu atau lebih elektron di ruang angkasa, serta kemungkinan menemukannya.

Konsep fisika ini, diterapkan oleh ahli kimia untuk memahami ikatan dan tabel periodik, menganggap elektron sebagai gelombang dan partikel pada saat yang bersamaan. Oleh karena itu, citra tata surya dibuang, di mana elektron adalah planet yang berputar dalam orbit mengelilingi inti atau matahari.

Sumber: Oleh haade, melalui Wikimedia Commons

Visualisasi usang ini berguna saat mengilustrasikan tingkat energi atom. Misalnya: lingkaran yang dikelilingi oleh cincin konsentris yang mewakili orbit, dan elektron statisnya. Faktanya, inilah gambaran atom yang diperkenalkan pada anak-anak dan remaja.

Akan tetapi, struktur atom yang sebenarnya terlalu rumit bahkan untuk memiliki gambaran kasar tentangnya.

Dengan mempertimbangkan elektron sebagai partikel gelombang, dan menyelesaikan persamaan diferensial Schrödinger untuk atom hidrogen (sistem yang paling sederhana dari semuanya), bilangan kuantum yang terkenal diperoleh.

Angka-angka ini menunjukkan bahwa elektron tidak dapat menempati tempat mana pun dalam atom, tetapi hanya elektron yang mematuhi tingkat energi diskrit dan terkuantisasi. Ungkapan matematis di atas dikenal sebagai fungsi gelombang.

Jadi, dari atom hidrogen, serangkaian status energi yang diatur oleh bilangan kuantum telah diperkirakan. Keadaan energi ini disebut orbital atom.

Tapi, ini hanya menjelaskan keberadaan elektron dalam atom hidrogen. Untuk atom lain, polielektronika, dari helium dan seterusnya, pendekatan orbital dibuat. Mengapa? Karena menyelesaikan persamaan Schrödinger untuk atom dengan dua atau lebih elektron sangatlah rumit (bahkan dengan teknologi saat ini).

Apa itu orbital atom?

Orbital atom adalah fungsi gelombang yang terdiri dari dua komponen: satu radial, dan satu sudut. Ekspresi matematika ini ditulis sebagai:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θφ)

Meskipun mungkin tampak rumit pada awalnya, perhatikan bahwa bilangan kuantum n, l, dan ml ditunjukkan dengan huruf kecil. Artinya ketiga angka ini menggambarkan orbitalnya. R _nl (r), lebih dikenal sebagai fungsi radial, bergantung pada nyl; sementara Y _lml (θφ), fungsi sudut, tergantung pada l dan ml.

Dalam persamaan matematika juga terdapat variabel r, jarak ke inti atom, serta θ dan ϕ. Hasil dari semua kumpulan persamaan ini adalah representasi fisik dari orbital. Yang mana? Yang terlihat pada gambar di atas. Di sana ditampilkan serangkaian orbital yang akan dijelaskan di bagian berikut.

Bentuk dan desainnya (bukan warnanya) berasal dari grafik fungsi gelombang dan komponen radial dan sudutnya di ruang angkasa.

Fungsi gelombang radial

Seperti yang terlihat pada persamaan, R _nl (r) bergantung pada n dan l. Jadi, fungsi gelombang radial dijelaskan oleh level energi utama dan sublevelnya.

Jika elektron dapat difoto tanpa memandang arahnya, titik kecil yang tak terhingga dapat diamati. Kemudian, dengan mengambil jutaan foto, dapat dijelaskan bagaimana titik awan berubah sebagai fungsi jarak ke inti.

Dengan cara ini, kepadatan awan dalam jarak dan dekat inti dapat dibandingkan. Jika operasi yang sama diulangi tetapi dengan tingkat energi atau sublevel lain, awan lain akan terbentuk yang menutupi awan sebelumnya. Di antara keduanya ada ruang kecil di mana elektron tidak pernah berada; inilah yang dikenal sebagai simpul radial.

Juga, di awan ada daerah dengan kerapatan elektron yang lebih tinggi dan lebih rendah. Ketika mereka semakin besar dan semakin jauh dari inti, mereka memiliki lebih banyak simpul radial; dan selanjutnya, jarak r di mana elektron lebih sering berputar dan lebih mungkin ditemukan.

Fungsi gelombang sudut

Sekali lagi, hal ini diketahui dari persamaan yang Y _lml (θφ) terutama dijelaskan oleh l bilangan kuantum dan ml. Kali ini ia berpartisipasi dalam bilangan kuantum magnetik, oleh karena itu, arah elektron di ruang angkasa ditentukan; dan arah ini dapat digambarkan dari persamaan matematika yang melibatkan variabel θ dan ϕ.

Sekarang, kami tidak melanjutkan untuk mengambil foto, tetapi merekam video lintasan elektron dalam atom. Berlawanan dengan percobaan sebelumnya, tidak diketahui di mana tepatnya elektron itu, tapi kemana perginya.

Saat elektron bergerak, ia menggambarkan awan yang lebih jelas; sebenarnya, sosok bulat, atau satu dengan lobus, seperti yang terlihat pada gambar. Jenis gambar dan arahnya dalam ruang dijelaskan dengan l dan ml.

Ada daerah, dekat dengan inti, di mana elektron tidak transit dan sosoknya menghilang. Daerah seperti itu dikenal sebagai simpul sudut.

Misalnya, jika Anda melihat orbital bola pertama, Anda dengan cepat menyimpulkan bahwa orbital itu simetris di segala arah; akan tetapi, tidak demikian halnya dengan orbital lain, yang bentuknya menunjukkan ruang kosong. Ini dapat diamati pada asal mula bidang Cartesian, dan di bidang imajiner antara lobus.

Kemungkinan menemukan ikatan elektron dan kimia

Sumber: Oleh CK-12 Foundation (File: High School Chemistry.pdf, halaman 265), melalui Wikimedia Commons

Untuk menentukan probabilitas sebenarnya untuk menemukan elektron dalam orbital, dua fungsi harus dipertimbangkan: radial dan sudut. Oleh karena itu, tidaklah cukup untuk mengasumsikan komponen sudut, yaitu bentuk orbital yang diilustrasikan, tetapi juga bagaimana kerapatan elektronnya berubah sehubungan dengan jarak dari inti.

Akan tetapi, karena arah (ml) membedakan satu orbital dari yang lain, maka praktis (walaupun mungkin tidak sepenuhnya benar) untuk mempertimbangkan hanya bentuk orbitalnya. Dengan cara ini, deskripsi ikatan kimia dijelaskan dengan tumpang tindihnya gambar-gambar ini.

Contoh di atas adalah gambar komparatif dari tiga orbital: 1s, 2s, dan 3s. Perhatikan simpul radialnya di dalamnya. Orbital 1s tidak memiliki node, sedangkan dua lainnya memiliki satu dan dua node.

Saat mempertimbangkan ikatan kimia, lebih mudah mengingat hanya bentuk bola dari orbital ini. Dengan cara ini, orbital ns mendekati yang lain, dan pada jarak r, elektron akan membentuk ikatan dengan elektron dari atom tetangga. Dari sini muncul beberapa ahli teori (TEV dan TOM) yang menjelaskan tautan ini.

Bagaimana mereka dilambangkan?

Orbital atom secara eksplisit dilambangkan sebagai: nl _ml .

Bilangan kuantum mengambil nilai integer 0, 1, 2, dll, tetapi untuk melambangkan orbital hanya tersisa n nilai numerik. Sedangkan untuk l, bilangan bulat diganti dengan huruf yang sesuai (s, p, d, f); dan untuk ml, variabel atau rumus matematika (kecuali untuk ml = 0).

Misalnya, untuk orbital 1s: n = 1, s = 0, dan ml = 0. Hal yang sama berlaku untuk semua orbital ns (2s, 3s, 4s, dll.).

Untuk melambangkan orbital lainnya, perlu untuk menyebutkan jenisnya, masing-masing dengan tingkat energi dan karakteristiknya sendiri.

Jenis

Orbital s

Bilangan kuantum l = 0, dan ml = 0 (selain komponen radial dan sudutnya) mendeskripsikan orbital berbentuk bola. Ini adalah salah satu yang memimpin piramida orbital dari gambar awal. Juga, seperti dapat dilihat pada gambar node radial, dapat diharapkan orbital 4s, 5s dan 6s memiliki tiga, empat dan lima node.

Mereka dicirikan sebagai simetris dan elektron mereka mengalami muatan inti efektif yang lebih besar. Ini karena elektronnya dapat menembus kulit dalam dan melayang sangat dekat dengan nukleus, yang memberikan tarikan positif padanya.

Oleh karena itu, ada kemungkinan elektron 3s dapat menembus orbital 2s dan 1s, mendekati inti. Fakta ini menjelaskan mengapa atom dengan orbital hibrid sp lebih elektronegatif (dengan kecenderungan lebih besar untuk menarik kerapatan elektron dari atom tetangganya) daripada atom dengan hibridisasi sp ³ .

Jadi, elektron di orbital s mengalami muatan paling banyak dari inti dan lebih stabil secara energetika. Bersama-sama, mereka memberikan efek perisai pada elektron di sublevel atau orbital lain; artinya, mereka menurunkan muatan inti aktual Z yang dialami oleh elektron terluar.

Orbital p

Sumber: David Manthey melalui Wikipedia

Orbital p memiliki bilangan kuantum l = 1, dan dengan nilai ml = -1, 0, +1. Artinya, sebuah elektron di orbital ini dapat mengambil tiga arah, yang direpresentasikan sebagai halter kuning (menurut gambar di atas).

Perhatikan bahwa setiap halter terletak di sepanjang sumbu Cartesian x, y, dan z. Oleh karena itu, orbital p yang terletak pada sumbu x dilambangkan sebagai p _x ; yang ada di sumbu y, p _y ; dan jika titik tegak lurus terhadap bidang xy, yaitu pada sumbu z, maka p _z .

Semua orbital saling tegak lurus, yaitu membentuk sudut 90º. Demikian pula, fungsi sudut menghilang di dalam inti (asal dari sumbu Cartesian), dan hanya ada kemungkinan menemukan elektron di dalam lobus (yang kerapatan elektronnya bergantung pada fungsi radial).

Efek perisai yang buruk

Elektron di orbital ini tidak dapat menembus kulit dalam semudah orbital s. Membandingkan bentuknya, orbital p tampak lebih dekat ke nukleus; Namun, elektron ns lebih sering ditemukan di sekitar inti.

Apa akibat dari hal di atas? Bahwa elektron np mengalami muatan inti efektif yang lebih rendah. Lebih lanjut, yang terakhir ini selanjutnya direduksi oleh efek perisai orbital s. Ini menjelaskan, misalnya, mengapa atom dengan orbital hibrid sp ³ kurang elektronegatif dibandingkan atom dengan orbital sp ² atau sp.

Penting juga untuk dicatat bahwa setiap halter memiliki bidang nodal sudut, tetapi tidak ada nodus radial (hanya orbital 2p). Artinya, jika diiris, tidak akan ada lapisan di dalamnya seperti pada orbital 2s; tetapi dari orbital 3p dan seterusnya, simpul radial akan mulai diamati.

Node sudut ini bertanggung jawab atas elektron terluar yang mengalami efek perisai yang buruk. Misalnya, elektron 2s melindungi elektron di orbital 2p lebih baik daripada elektron 2p yang melindungi elektron di orbital 3s.

Px, Py dan Pz

Karena nilai ml adalah -1, 0, dan +1, masing-masing mewakili orbital Px, Py, atau Pz. Secara total, mereka dapat menampung enam elektron (dua untuk setiap orbital). Fakta ini sangat penting untuk memahami konfigurasi elektronik, tabel periodik, dan unsur-unsur yang membentuk blok-p.

Orbital d

Sumber: Oleh Hanilakkis0528, dari Wikimedia Commons

Orbital d memiliki nilai l = 2, dan ml = -2, -1, 0, +1, +2. Oleh karena itu, ada lima orbital yang mampu menampung total sepuluh elektron. Lima fungsi sudut orbital d ditunjukkan pada gambar di atas.

Yang pertama, orbital 3d, tidak memiliki simpul radial, tetapi orbital lainnya, kecuali orbital d _z2 , memiliki dua bidang nodal; bukan bidang gambar, karena ini hanya menunjukkan di mana sumbu lobus oranye dengan bentuk daun semanggi berada. Dua bidang nodal adalah bidang yang membagi dua tegak lurus dengan bidang abu-abu.

Bentuknya membuat mereka semakin kurang efektif dalam melindungi muatan nuklir efektif. Mengapa? Karena mereka memiliki lebih banyak node, yang melaluinya nukleus dapat menarik elektron eksternal.

Oleh karena itu, semua orbital d berkontribusi pada peningkatan jari-jari atom yang lebih sedikit dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya.

Orbital f

Sumber: Oleh Geek3, dari Wikimedia Commons

Terakhir, orbital f memiliki bilangan kuantum dengan nilai l = 3, dan ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Ada tujuh orbital f, dengan total empat belas elektron. Orbital-orbital ini tersedia dari periode 6, yang secara dangkal disimbolkan sebagai 4f.

Masing-masing fungsi sudut mewakili lobus dengan bentuk yang rumit dan beberapa bidang nodal. Oleh karena itu, mereka bahkan lebih sedikit melindungi elektron eksternal dan fenomena ini menjelaskan apa yang dikenal sebagai kontraksi lantanida.

Untuk alasan ini, untuk atom berat tidak ada variasi yang nyata dalam jari-jari atomnya dari satu tingkat n ke tingkat lainnya n + 1 (6n ke 7n, misalnya). Sampai saat ini, orbital 5f adalah yang terakhir ditemukan di atom alami atau buatan.

Dengan semua ini dalam pikiran, jurang terbuka antara apa yang dikenal sebagai orbit dan orbital. Meski secara tekstual mereka serupa, pada kenyataannya keduanya sangat berbeda.

Konsep orbital atom dan pendekatan orbital telah memungkinkan untuk menjelaskan ikatan kimianya, dan bagaimana hal itu dapat, dengan satu atau lain cara, mempengaruhi struktur molekul.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat., Hal. 13-8). Mc Graw Hill.
2. Harry B. Gray. (1965). Elektron dan Ikatan Kimia. WA Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube. (sf). Orbital atom dan bilangan kuantum. Dipulihkan dari: quimitube.com
4. Nave CR (2016). Memvisualisasikan Orbital Elektron. Diperoleh dari: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Orbital Atom. Diperoleh dari: chemguide.co.uk
6. Dongeng kuantum. (26 Agustus 2011). Orbital atom, kebohongan sekolah menengah. Diperoleh dari: cuentos-cuanticos.com