Още за орбиталите и електронната конфигурация

В последните няколко видеа научихме,
че подредбата

на електроните в атома не е проста,
класическа Нютонова орбитална подредба.

Това е моделът на електрона на Бор.

Ще продължа да го разглеждам,
защото смятам, че е важно.

Нека това е ядрото.
Помни, че то е просто

мъничка точка
от целия обем на атома.

Електроните не са разположени
в орбита около ядрото,

както планетата е в орбита
спрямо слънцето.

Разположението на електроните
се описва

чрез орбитали, които са вероятностни
функции на плътността.

Нека приемем, че това е ядрото.

Ако вземем която и да е точка
от пространството около ядрото,

орбиталата описва
вероятността да намерим там електрона.

Така че в която и да е част
от пространството около ядрото,

орбиталата представя вероятността
да намерим електрон

в рамките на това пространство.

Ако искаш просто да направиш
един куп снимки на електрони...

да кажем в 1s орбиталата.

1s орбиталата изглежда
по този начин.

Едва ли можеш да го видиш тук,
но то е една сфера около ядрото.

Това е състоянието с най-малко енергия,
в което един електрон би могъл да бъде.

Ако ти се налагаше да направиш
няколко снимки на електрони...

Да кажем, че трябва да направиш
няколко снимки на хелий,

който има 2 електрона.

И двата се намират на 1s орбиталата.

Би изглеждало така.

Ако направиш една снимка,
може би електронът ще е там,

на следващата снимка
може би там.

След това електронът е там.

После е там.

И там.

И ако продължаваш да снимаш,

ще видиш, че много от тях
са близко разположени.

И след това стават малко по-разредени,

колкото по-далеч от ядрото отиваме.

Много по-вероятно е да открием
електрона близо до центъра на атома,

отколкото далеч от него.

Макар че има и електрон,

стоящ чак ето там,
или пък ето тук.

Така че наистина може
да е бил навсякъде,

но ако направиш много снимки,

ще видиш какво описва
функцията на вероятността.

Тя показва, че има много по-малка
вероятност

да открием електрона в този малък
отрязък пространство тук,

отколкото в това тук.

Има диаграми, в които орбиталата
е изобразена по този начин.

Изобразен е като слой, като сфера.

Ще се опитам да го направя
да изглежда триизмерно.

И да кажем, че това е външната му част

и ядрото се намира
някъде във вътрешността.

В тези диаграми е показано

къде можем да открием електрона
през 90% от времето.

Например мога да намеря елекрона
през 90% от времето в този кръг,

ако направя напречно сечение.

Но от време на време електронът
може да бъде и извън това.

Защото всичко това са вероятности.

И това все пак може да се случи

И още може да намерим електрона,

ако това тук е орбиталата
за която говорим.

Нали?

И в последното видео казахме, че

електроните запълват орбиталите

от най-ниското енергийно ниво
до по-високо.

Можеш да си го представиш така.

Ако играя Тетрис

или просто трупам кубчета,
първо нареждам кубчетата с ниска енергия.

Ако това е подът, поставям първото кубче
на най-ниското енергийно ниво.

И да кажем, че бих могъл да сложа и
второто кубче на ниското ниво тук.

Но имам само толкова място.

Затова трябва да поставя третото кубче
на по-високото ниво.

В този случай енергията може да бъде
описана като потенциална, нали?

Това е класически пример на
Нютонова физика.

Но идеята е същата с електроните.

Когато имам два електрона на
1s орбиталата...

Да кажем, че електронната конфигурация
на хелий е 1s2.

Третият електрон вече не може
да бъде поставен там,

защото има място само за два електрона.

Тези два електрона

ще отблъснат третия,
който аз искам да добавя.

И затова трябва да отида на 2s орбиталата.

И ако сега трябва да наложа
2s орбиталата върху тази тук,

би се получило нещо такова –

има голяма вероятност да открия
елекроните в този слой

който всъщност е около 1s орбиталата.

Нека да боравя с литий сега.

Имам само един допълнителен електрон.

И този допълнителен електрон може да бъде
там, където наблюдавах

допълнителния електрон.

Но понякога той може да се появи там,

може да се появи там, или там.

Но най-голяма вероятност
има да е там.

Къде ще бъде в 90% от времето?

Ще бъде в този слой около центъра.

Но тъй като е триизмерно, в действителност
изглежда малко по-различно.

Това е представено тук.

1s е това червено топче тук.

И след това 2s.

Вторият енергиен слой е това
синьо топче връз червеното.

Може да го видиш малко по-добре

при по-високите енергийни слоеве.

Седмият енергиен слой е
тази червена област.

После има синята област,
после червената, и пак синята.

Мисля, че схвана идеята,
че всяка от тях е енергиен слой.

И сякаш s орбитали се припокриват
една около друга.

Но тук виждаш и тези други неща.

И основният принцип е, че

електроните запълват орбиталата

от най-ниско енергийната орбитала
към по-високо енергийна орбитала.

Първа се запълва 1s орбиталата.

Това е 1.

Това е s.

Това е 1s.

Тя може да побере 2 електрона.

Следващата, която се запълва, е 2s.

Тя може да побере още два електрона.

И после следващата, и тук вече става интересно,

запълва се 2p орбиталата.

Това е тази тук.

2p орбитали.

И виж, че p-орбиталите имат буква към тях –
р малко z, р малко x, р малко y.

Това какво означава?

Погледни p орбиталите,
те имат форма на гирички.

Изглеждат малко неестествено,
но в бъдещи клипчета

ще ти покажа, че са аналогични
на стоящи вълни.

Има три начина, по които
можем да конфигурираме тези гирички.

Един е в направление z, нагоре и надолу.

Един в направление x, наляво или надясно.

И един в направление y, по този начин,
напред и назад.

И да кажем, че искаш да представиш
нагледно p орбиталите.

Поредността на запълване е следната:

Първо слагаш един електрон тук,

друг електрон тук
и после друг електрон там.

След това попълваш още един електрон,

но ще говорим за спин и т.н.
в бъдещо видео.

Та там, там и там.

И това се нарича
правило на Хунд.

Може би ще направя видео
за правилото на Хунд,

но това не е от значение
за това ниво урок по химия.

Запълването става в този ред

и наистина искам да имаш представа
как това би изглеждало.

Трябва да сложа "изглежда" в кавички,

защото е много абстрактно.

Но ако искаш да визуализираш
p орбиталите...

Да кажем, че разглеждаме
електронната конфигурация на въглерод.

Електронната конфигурация на въглерод:

първите два електрона попадат в 1s1, 1s2

И тогава се запълва...
извинявам се, нищо не се вижда.

Запълва се 1s2.
Това е конфигурацията на въглерода.

Запълва се 1s1, после 1s2.

И това е конфигурацията за хелий.

После отиваме към втория слой,

което е втори период, нали?

Затова се нарича периодична система.

Ще говорим за периоди и групи вбъдеще.

После отиваме тук.

Това е запълването на 2s.

Сега сме във втори период.

Това е втори период.

Едно, две.

Трябва да се дръпна, за да виждаш всичко.

Запълва тези две.

И така 2s2.

После започва да запълва p орбиталите.

Започва да запълва 1p и после 2p.

Още сме във втория слой,
и така: 2s2 2p2.

Въпросът е как би изглеждало това,

ако искахме просто да визуализираме
тази орбитала тук,

p орбиталата?

Имаме два електрона.

Единият електрон ще бъде на...

Ще се опитам да начертая няколко оси.

Това е прекалено тънко.

Чертая триизмерни

обемни оси.

Ако исках да направя група наблюдения на

един от електроните на p орбиталите,

да кажем в pz измерението,

понякога може да е тук,

понякога там, а понякога може да е там.

И ако продължаваме с наблюденията,

ще получим нещо, прилично на камбана,

тази гировидна форма тук.

И сега правим група наблюдения
за друг електрон, в x направление,

Ще го направя в друг отличим цвят.

Ще изглежда така.

Взимаш тези "снимки" на електрона и
виждаш,

че е много по-вероятно този електрон

да се намира в област,
приличаща на гиричка.

Но може да го намериш и там,
там или там.

Просто има много по-голяма вероятност

да е тук вътре, отколкото там.

И това е най-добрият начин,
по който аз поне мога да го представя.

Това, което правихме тук,
се нарича електронна конфигурация.

Има много начини, които
се преподават в часовете по химия,

но ето кой начин
на мен най-много ми харесва.

Отваряме периодичната система и
тези групи...

(когато казвам групи,
имам предвид колоните),

Елементите от тези групи
ще запълнят s слоя или s-орбиталите...

Може просто да напишем s тук горе,
точно ето там.

Тези елементи тук ще запълват
p-орбиталите.

Всъщност нека да изключим
хелия от картината.

P-орбиталите.

Махам хелий от картината.

Тези заемат p-орбиталите.

И всъщност, за да не се объркваш,

трябва да махнеш хелий
и да го сложиш ето там.

Периодичната система е просто начин
на организиране на елементите,

за да са разбираеми.

Но за да разбереш орбиталите,
може да вземеш хелий.

Нека да го направя.

Магията на компютрите.

Изрязваме хелий и го поставяме там.

Сега виждаш, че конфигурацията
на хелий е

1s1, после 1s2.

Сега сме в първия енергиен слой.

Конфигурацията на водород е 1s1.

Има само един електрон в s подслоя
на първия енергиен слой.

Конфигурацията на хелий е 1s2

И после запълваме втория енергиен слой.

Конфигурацията на литий е 1s2.

Там отиват първите два електрона.

И после третият отива в 2s1, нали?

Вече мисля, че виждаш тенденцията.

Като стигнем до азот, си казваме:

"Има три електрона в p подслоя".

И почти можеш да започнеш наобратно.

И сега сме във втори период, нали?

Това е 2p3.

Само да го напиша.

Записвам първо 2p3.

И там отиват последните три електрона
в p орбиталата.

После ще има тези два,
които отиват в 2s2 орбиталата.

И накрая първите два,
електроните на най-ниското енергийно ниво,

ще са в 1s2 орбиталата.

И това е електронната конфигурация на азот,
точно тук.

И за да е сигурно, че конфигурацията
ти е правилна,

трябва да преброиш електроните.

2 плюс 2 е 4, плюс 3 е 7.

И говорим за неутрални атоми,

тоест електроните трябва
да са колкото протоните.

Атомният номер е равен
на броя на протоните.

Всичко е наред.

Седем протона.

Когато се занимаваме само със
s- и p-орбитали, всичко е просто.

А каква е конфигурацията на силиций,

ето там?

Добре, сега сме на трети период.

Едно, две, три.

Това е третият ред.

А това тук е p-блокът.

Значи това е вторият ред в p-блока.

Едно, две, три, четири, пет, шест.

Ние сме на втория ред в p-блока,

затова започваме с 3p2.

3р2

И след това имаме 3s2.

И после се запълва целият p-блок.

Значи е 2p6.

И после тук - 2s2.

И разбира се, преди да се запълнят
останалите слоеве,

се е запълнил първият слой.

Значи, 1s2.

Ето това е електронната
конфигурация за силиций.

Да проверим дали имаме 14 електрона.

2 плюс 2 е 4, плюс 6 е 10.

10 плюс 2 е 12, плюс още 2 е 14.

Значи конфигурацията е правилна.

Тъй като вече ми изтича времето,
в следващото видео ще разгледаме

какво се случва, когато преминем към
елементите от d-блока.

Можеш да предположиш какво се случва.

Ще започнем да запълваме тези
d-орбитали тук,

които имат още по-невероятни форми.

Съвсем накратко, за да не губим време –

колкото повече се отдалечаваме от ядрото,

толкова повече е пространството между
по-ниско енергийните орбитали.

И така се получават тези орбитали
с причудливи форми.

Но има баланс...

Ще говоря за стоящите вълни в бъдеще,

но се получава нещо като баланс,

защото електроните опитват да
доближат ядрото с протоните

и положителните заряди
(електроните се привличат от тях),

докато в същото време се отблъскват
от зарядите на останалите електрони

или поне от техните функции
на масово разпределение.

Както и да е, ще се видим
в следващото видео.