Orbital Atom Dijelaskan: s, p, d dan f

Orbital adalah awan, bukan lintasan

Dalam mekanika kuantum, elektron di dalam atom tidak mengikuti orbit. Elektron digambarkan oleh fungsi gelombang ψ, dan |ψ|² di setiap titik adalah rapat peluang menemukan elektron di sana. Orbital adalah salah satu fungsi gelombang itu: pola tiga dimensi tentang di mana elektron mungkin berada. Bila digambar sebagai awan titik, orbital padat di tempat elektron sering ditemukan dan jarang di tempat yang jarang. Setiap orbital menampung paling banyak dua elektron dengan spin berlawanan (prinsip larangan Pauli).

Bilangan kuantum

• n, bilangan kuantum utama (1, 2, 3, …), menentukan kulit, ukuran, dan pada hidrogen energinya: E = −13,6 eV × Z² ÷ n².
• l, bilangan kuantum azimut (0 sampai n − 1), menentukan bentuk: l = 0 adalah s, 1 adalah p, 2 adalah d, 3 adalah f.
• m_l, dari −l sampai +l, menentukan arah. Setiap subkulit memiliki 2l + 1 orbital: satu s, tiga p, lima d, tujuh f.
• m_s = +½ atau −½ adalah spin elektron, karena itu setiap orbital memuat dua.

Jadi subkulit menampung 2(2l + 1) elektron (2, 6, 10, 14) dan kulit 2n² (2, 8, 18, 32).

Bentuk dan simpul

Simpul adalah permukaan tempat ψ = 0, sehingga elektron tidak pernah berada di sana. Sebuah orbital punya n − 1 simpul seluruhnya:

• l simpul sudut, berupa bidang atau kerucut melalui inti. Orbital s tidak punya dan berbentuk bola; orbital p punya satu bidang dan dua cuping; sebagian besar orbital d punya dua bidang dan empat cuping; d_z² sebaliknya punya dua kerucut, yang menghasilkan dua cuping dan sebuah cincin.
• n − l − 1 simpul radial, berupa bola. 1s tidak punya, 2s satu, dan 3s dua, jadi orbital s yang lebih besar seperti kulit yang bertumpuk; 2p tidak punya, 3p satu.

Contoh, 3p: n = 3, l = 1, jadi ada 1 simpul sudut (sebuah bidang) dan 3 − 1 − 1 = 1 simpul radial (sebuah bola), 2 seluruhnya. Untuk 4f: 3 simpul sudut dan 0 simpul radial.

Fase

ψ sendiri bernilai positif di beberapa daerah dan negatif di daerah lain, yang ditampilkan dengan dua warna. Tanda itu tidak mengubah di mana elektron mungkin berada, karena itu bergantung pada ψ², tetapi menentukan apa yang terjadi ketika orbital atom yang bertetangga tumpang tindih: daerah bertanda sama saling menambah menjadi orbital ikatan, yang bertanda berlawanan saling meniadakan menjadi orbital antiikatan.

Ukuran: distribusi radial

Peluang menemukan elektron pada jarak r dari inti, ke arah mana pun, adalah distribusi radial P(r) = r² |R_nl(r)|², dengan R_nl bagian radial fungsi gelombang. Untuk 1s hidrogen puncaknya tepat di jari-jari Bohr, a₀ = 52,9 pm, meskipun jarak rata-ratanya 1,5 a₀, karena awannya menjulur jauh ke luar. Secara umum rata-ratanya ⟨r⟩ = (a₀ ÷ 2Z)(3n² − l(l + 1)): 5 a₀ untuk 2p, 10,5 a₀ untuk 3d. Orbital membesar kira-kira sebanding n² dan mengecil sebanding 1 ÷ Z.

Konfigurasi elektron

Dalam atom berelektron banyak, orbital dengan n yang sama tidak lagi berenergi sama: elektron dalam melindungi inti, dan elektron s, yang sebagian waktunya dekat inti, paling sedikit terlindungi. Subkulit terisi dengan urutan (aturan Aufbau, atau Madelung):

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p

Di dalam subkulit, elektron menyebar satu per orbital dengan spin sejajar sebelum ada yang berpasangan (aturan Hund). Besi, dengan 26 elektron, adalah 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶, atau singkatnya [Ar] 4s² 3d⁶; keenam elektron 3d mengisi lima orbital, jadi empat tidak berpasangan, dan karena itulah besi bersifat magnetis.

Pengecualian yang dikenal dalam lima periode pertama: kromium [Ar] 3d⁵ 4s¹, tembaga [Ar] 3d¹⁰ 4s¹, dan di periode 5 niobium, molibdenum, rutenium, rodium, paladium (4d¹⁰ 5s⁰), dan perak. Subkulit d yang setengah penuh atau penuh serta tolakan yang lebih kecil antara elektron di orbital berbeda membuat susunan ini sedikit lebih rendah energinya.

Memakai penampil

Di Orbital Atom 3D, pilih sebuah orbital dan putar dengan mouse. Titik-titiknya diambil secara acak dari fungsi gelombang hidrogen yang tepat, jadi kepadatan awan adalah rapat peluangnya. Yang bisa dicoba:

• Potong separuh bagian depan 3s: awan terbagi menjadi tiga lapisan bertumpuk yang dipisahkan dua kulit kosong, yaitu simpul radial, dan grafik menunjukkan tiga puncak.
• Bandingkan 2p (x) dengan 2p (z): bentuk yang sama mengarah ke sumbu lain, dengan energi yang sama.
• Perhatikan pengukuran posisi satu per satu: masing-masing jatuh di tempat baru, tetapi rata-rata berjalannya mendekati ⟨r⟩.
• Naikkan Z menjadi 2: orbital menyusut ke separuh ukuran dan energinya menjadi empat kali lebih negatif, seperti pada He⁺.

Apa yang diasumsikan model

• Satu elektron. Awan-awan ini adalah solusi tepat untuk satu elektron di sekitar inti bermuatan Z: hidrogen, He⁺, Li²⁺, dan seterusnya. Tidak ada hal lain dalam kimia yang punya solusi tepat.
• Inti berupa titik yang diam, tanpa relativitas, tanpa kopling spin-orbit, dan tanpa medan magnet.
• Orbital riil. Orbital p_x, d_xy, dan sejenisnya yang ditampilkan adalah gabungan riil yang lazim dari fungsi gelombang kompleks dengan +m dan −m, jadi |m_l|-nya tertentu tetapi m_l-nya tidak.
• Konfigurasi adalah keadaan dasar atom netral yang terisolasi, diambil dari urutan pengisian ditambah pengecualian yang disebutkan, bukan dihitung.
• Awan dipotong jauh di luar, tempat peluang yang tersisa hampir tidak ada; fungsi gelombang sebenarnya tidak pernah tepat mencapai nol.

Kasus batas

• Orbital s memiliki kerapatan tertinggi tepat di inti, namun distribusi radial di sana nol, karena pada r = 0 hampir tidak ada volume. Keduanya benar, dan grafik menunjukkan yang kedua.
• Energi yang sama. Pada hidrogen 2s dan 2p berenergi tepat sama; pada atom lain mana pun 2s lebih rendah. Energi yang ditampilkan adalah untuk atom berelektron tunggal.
• Orbital d yang tampak berbeda. d_z² tidak mirip keempat lainnya, tetapi ia salah satu dari lima gabungan yang sama sahnya; pada atom bebas kelimanya berenergi sama.
• Ion. Logam transisi melepaskan elektron 4s sebelum elektron 3d saat membentuk ion: Fe²⁺ adalah [Ar] 3d⁶, bukan [Ar] 4s² 3d⁴. Penggeser unsur hanya memberi atom netral.

Di mana model tidak lagi berlaku

• Atom berelektron banyak. Elektron saling tolak, jadi orbitalnya hanya kira-kira mirip orbital hidrogen: bentuknya sama, tetapi ukuran dan energinya berbeda. Energi orbital yang sebenarnya diperoleh dari metode pendekatan seperti Hartree-Fock.
• Molekul dan padatan. Orbital atom bercampur menjadi orbital molekul dan orbital hibrida (sp³, sp²) saat atom berikatan, dan menjadi pita pada logam; bentuk atom yang terpisah tidak berlaku lagi.
• Unsur berat. Elektron dalam pada emas atau raksa bergerak dengan kecepatan yang merupakan sebagian besar kecepatan cahaya; relativitas menyusutkan orbital s-nya dan mengubah kimianya (warna emas, raksa yang cair). Gambaran nonrelativistik gagal di sana.
• Aturan pengisian setelah xenon punya jauh lebih banyak pengecualian di antara lantanida, aktinida, dan logam transisi berat; karena itu penggeser berhenti di xenon.
• Elektron bukan bola kecil di dalam awan. Sebelum diukur, elektron sama sekali tidak punya posisi, hanya distribusi; setiap pengukuran memilih satu, seperti terlihat pada kilatan putih.

Alat terkait

Simulator Atom Bohr menampilkan model lama dengan elektron di orbit tetap dan garis spektrum yang dijelaskannya; Penampil Molekul 3D menunjukkan apa yang terjadi saat atom berikatan. Untuk massa unsur dalam suatu senyawa, pakai Kalkulator Massa Molar.