Více o orbitalech a elektronové konfiguraci

Lepší pochopení orbitalů. Seznámení se s elektronovou konfigurací.

V posledních videích jsme se dozvěděli,

že elektrony nejsou uspořádány
v atomu v jednoduchém, klasickém

Newtonském orbitálním rozestavení.

Řeč je o Bohrově modelu elektronu.

Budu se k němu ještě vracet,
protože si myslím,

že je to důležité.

Jestliže je tohle jádro,
vzpomeňte si,

že je to jen malinkatá tečka
ve srovnání s celým atomem.

A místo toho,
aby elektron obíhal kolem něj

podobně jako planety obíhají kolem slunce.

Místo toho, aby byl na oběžné dráze
kolem jádra, je popsán

orbitaly, což jsou vlastně
pravděpodobnostní funkce.

Takže orbital
..řekněme, že tohle je jádro..

by popisoval to, jakou budete
mít pravděpodobnost

nalezení elektronu
na kterémkoliv místě v okolí jádra.

Takže v libovolně velkém prostoru
kolem atomu vám vlastně říká,

s jakou pravděpodobností byste
tam měli nalézt elektron.

Takže pokud bychom mohli jednoduše
vyfotit kupu fotek elektronů

..řekněme v 1s orbitalu..

A 1s orbital vypadá takhle.

Je to tu těžko viditelné,
ale tvoří to kouli kolem jádra.

Toto je ten nejnižší energetický stav,
ve kterém může elektron být.

Pokud bychom mohli
několikrát vyfotit elektron.

Řekněme, že bychom nafotili
řadu snímků hélia,

které má dva elektrony.

Oba se nacházejí v orbitalu 1s.

Vypadalo by to nějak takhle.

Když vyfotíte jednu fotku,
možná bude tady,

Na další fotce bude elektron možná tady.

Pak je elektron tady.

Pak je tady.

A pokud bychom v tom pokračovali,
měli bychom jich spoustu u sebe.

A pak to začne trochu řídnout,
jak se dostáváme dál a dál od elektronu.

Ale jak můžete vidět,
máte daleko větší šanci

najít elektron blíž
ke středu atomu než dál od něj.

I když můžete spatřit elektron,
který bude úplně mimo tady nebo tady.

Takže vlastně může být kdekoliv,

ale pokud provedete víc pozorování,

zjistíte, co tato pravděpodobnostní
funkce popisuje.

Říká "Podívej, je daleko menší
pravděpodobnost

má nalezení elektronu
v téhle malé kostce v prostoru

než tady v téhle malé kostce v prostoru.

A když se podíváme na diagramy orbitalů.

Řekněme, že bude mít tvar koule.

Pokusím se,
aby to vypadalo trojrozměrně.

Dejme tomu, že tohle je
její vnější povrch

a jádro je umístěné někde uvnitř.

Tedy tyto diagramy nám říkají,
kde se elektron v 90 % případů nachází.

Je to uvnitř tohoto kruhu,
pokud jej bereme jako řez koulí.

No ale tu a tam se elektron
může objevit i mimo

Protože je to celé
jenom o pravděpodobnosti.

Může se to tedy stát.

Pořád můžeme nalézt elektron
i mimo daný orbital.

Je to tak?

V předchozím videu jsme si řekli,

že elektrony zaplňují orbitaly
od nejnižšího energetického stavu

až po ten nejvyšší energetický stav.

Mohli bychom si to představit.

Když hraji Tetris
..nevím jestli se to jmenuje Tetris..

nebo když pokládám kostky,
pokládám kostky od nejnižší energie

pokud by tohle byla podlaha, uložím
první kostku na nejnižší energetický stav.

Dejme tomu, že bych mohl
položit druhou kostku do nízkého

Ale k dispozici tu mám
jenom omezené místo.

Takže třetí kostku položím
do dalšího patra.

V tomto případě můžeme energii systému
popsat pomocí potenciální energie.

To je jenom klasický
příklad Newtonské fyziky.

A je to ta samá myšlenka s elektrony.

Jakmile mám jednou dva elektrony
v tomto 1s orbitalu,

..to odpovídá heliu, jehož elektronová
konfigurace je 1s2..

třetí elektron už sem dát nemůžeme,
protože je tu místo jen pro 2 elektrony

Já to chápu tak, že tyto 2 elektrony teď
odpuzují třetí, který tam chci přidat.

Takže musím jít výš, do 2s orbitalu.

A nyní, kdybych měl nakreslit
2s orbital kolem 1s orbitalu,

vypadalo by to nějak takto.
Vyhraňuje mi to oblast,

kde je vysoká pravděpodobnost
nalezení elektronu.

Tato oblast je tedy
kolem 1s orbitalu.

Takže právě teď
už řešíme lithium.

Máme jeden elektron navíc.

Takže ten jeden elektron navíc tady
může někde kolem, jak jsme si teď řekli.

Ale může se objevit tady,
nebo tady či tam.

Nejvyšší pravděpodobnost je ale tady.

Takže když se zeptáte,
kde bude ten elektron 90% času?

Bude to na této slupce,
která je kolem středu.

Uvědomte si, že je to trojrozměrné
a můžeme to jakoby přikrýt.

Bude to tedy tato slupka.

Takže co jsme tu namalovali?

Orbital 1s jako červenou slupku.

A orbital 2s jako modrou slupku
kolem té červené.

Tady můžete vidět o něco lépe,
jak se velikost slupky zvětšuje,

čím je vyšší energetický orbital.

Například sedmá energetická slupka
je tato červená oblast.

Pak tu máme tuto modrou oblast,
pak tady červenou a modrou.

Myslím, že už jste přišli na to,
že každá z nich je energetickou slupkou.

Tedy vlastně vrstvíte
energetické s-orbitaly na sebe.

A pravděpodobně jste si už
všimli toho co je vedle.

A nejzákladnější pravidlo,
to si zapamatujte, zní:

Elektrony vždy zaplňují orbitaly
od nejnižší energie po nejvyšší.

Takže první, který je tady zaplněn je 1s.

Tohle je 1

Tohle je "s".

Takže tohle je 1s.

Sem se vejdou dva elektrony.

Pak další, co je na řadě k naplnění je 2s.

Sem se vejdou další dva elektrony.

A zaplňujeme další,
a tady se to stává zajímavé,

kterým je 2p orbital.

To jsou tyto, právě tady.

2p orbitaly.

A všimněte si, že p-orbitaly mají
dolní indexy "x", "y", "z".

Co to znamená?

No, když se podíváte na p-orbitaly..

Vypadají trochu nepřirozeně,
ale v následujících videích

vám ukážeme,
že odpovídají stojatému vlnění.

Ale pokud se podíváte sem,
existují vlastně tři směry,

kterými můžete nastavit tyto činky.

Jeden ve směru "z", nahoru a dolů.

Jeden ve směru "x", doleva a doprava

A pak jeden ve směru "y",
tímto směrem, dopředu a dozadu.

Pojďme si nakreslit takový p-orbital.

Takže jdeme zaplňovat dál.

Ve skutečnosti doplníte
jeden elektron sem,

další sem a poslední sem.

Další elektrony bychom
teoreticky doplnili sem.

O věcech, jako je spin,
budeme mluvit později.

Sem, sem a tady.

Tomuto se říká Hundovo pravidlo.

Možná v budoucnu udělám celé video
k Hundovu pravidlu,

ale to nepatří do přednášek
z chemie do 1. ročníku.

Ale zaplní se v tomto pořadí
a ještě jednou po Vás budu chtít,

abyste pochopili,
jak by to mělo vypadat.

"Vypadat" bych měl dát do uvozovek,

protože je to velmi abstraktní.

Ale pokud bychom si chtěli představit
p-orbital, dejme tomu že

se díváme třeba na elektronovou
konfiguraci uhlíku.

První dva elektrony uhlíku jdou takto:
1s1, 1s2.

Takže tím naplní
..promiňte, nemůžete vidět všechno..

takže tím naplní 1s orbital.

Nejdříve jedním (1s1),
pak i druhým elektronem (1s2).

A to je zatím jen konfigurace hélia.

Pak tedy jde to druhé slupky,
která je v druhé periodě.

Proto se tomu říká periodická tabulka.

O periodách a skupinách
budeme mluvit později.

A pak jdete sem.

Takže je zaplňovaný 2s.

Jsme v druhé periodě přímo tady.

Toto je druhá perioda.

Jedna, dvě.

Musím to posunout,
abychom viděli na všechno.

Takže zaplní tyto dvě.

Tedy 2s2

A potom začne zaplňovat p-orbitaly.

Takže potom začne zaplňovat 1p a pak 2p.

A stále jsme ve druhé slupce,
takže 2s2, 2p2.

Otázkou je, jak by to vypadalo,
pokud bychom si chtěli orbital nakreslit.

Myslím tedy ten p-orbital.

Máme dva elektrony.

Jeden elektron bude
..řekněme, že toto je..

Raději namaluji několik os.

To je moc tenké.

Takže pokud nakreslím trojrozměrný
objem nějakých os.

Pokud bych provedl spoustu pozorování,
například elektronu v p-orbitalech.

Dejme tomu v "z" rozměru.

Elektron by někdy byl tady,
někdy tady a tak dále.

A pokud bychom udělali spoustu pozorování,
získali bychom nám již známý tvar.

Tvar vzpěračské činky.

A potom pro další elektron,
který je třeba ve směru osy x,

provedete velké množství pozorování.

Tady to udělám odlišnou barvou,

Bude to vypadat takhle.

Po spoustě pozorování zjistíme,

že je o hodně pravděpodobnější
najít tenhle elektron v tomto tvaru činky.

Ale můžeme ho najít i mimo ni.

Mohli byste ho najít tady.

Tohle je jenom daleko větší
pravděpodobnost,

že jej naleznete zde než někde mimo.

A to je ten nejlepší způsob,
jak si to můžete představit.

To co tu teď děláme se nazývá
elektronová konfigurace.

A způsob jak to udělat..
..je mnoho způsobů, které se

učí v rámci chemie, ale
tento způsob já preferuji..

Vezmete si periodickou tabulku
a řeknete si, tyto skupiny,

..když říkám skupiny,
myslím tím sloupce..

budou zaplňovat "s"
podslupku neboli s-orbital.

Můžete si klidně zapsat "s"
tady nahoru.

Tady tyhle budou zaplňovat p-orbitaly.

Vlastně bych z toho helium měl vynechat.

Hned to udělám.

Vynecháme helium.

Tyto zabírají p-orbitaly.

A aby vám počty vyšly dobře,

měli bychom vzít hélium
a hodit ho přímo sem.

Jasné?

Periodická tabulka je jenom způsob,
jak uspořádat věci tak,

aby dávaly smysl.

Ale při zaplňování orbitalů
byste mohli vzít hélium.

Hned to udělám.

Kouzlo počítačů.

Vyříznu ho a hned ho dám přímo tam.

A teď vidíte toto hélium.
Takže dostanete 1s a pak 2s.

takže konfigurace hélia je
..omlouvám se..

dostanete 1s1, pak 1s2.

Jsme v první energetické slupce.

Tak konfigurace vodíku je 1s1.

Máte jenom jeden elektron
v "s" podslupce této energetické vrstvy.

Konfigurace helia je 1s2.

A potom začnete vyplňovat
druhou energetickou slupku.

Konfigurace lithia je 1s2.

Tam přijdou ty první dva elektrony.

A potom ten třetí jde přímo do 2s1, ano?

Myslím, že už začínáte chápat ten vzor.

A když dojdete k dusíku, řeknete,

že má tři elektrony v "p" podslupce.

Takže můžete skoro začít pozpátku, že?

Jsme v druhé periodě, že?

Takže je to 2p3.

Raději to zapíšu.
2p3

To znamená,
kde jsou poslední tři elektrony.

Pak budu mít tyto dva,
které patří do 2s2 orbitalu.

A potom ty první dva elektrony
s nejmenší energetickým stavem, 1s2.

Takže to je elektronová
konfigurace dusíku.

A abychom se ujistili,
že jsme zvládli konfiguraci správně,

zkontrolujeme si počet elektronů.

Takže 2 plus 2 je 4 plus 3 je 7.

A mluvíme o neutrálních atomech,

takže počet elektronů by měl být
shodný s počtem protonů.

Atomové číslo je počet protonů.

Takže to máme správně.

Sedm protonů.

Zatím se zabýváme jenom "s" a "p"
orbitaly, což je celkem přímočaré.

Pokud bych chtěl zjistit
konfiguraci křemíku, jaká bude?

Inu, jsme ve třetí periodě.

Jedna, dvě, tři.

To je právě třetí řádek.

A tohle je p-blok přímo tady.

Takže je to druhý řádek v p-bloku, že?

Jedna, dva, tři, čtyři, pět, šest.

Jsme v druhém řádku p-bloku,

takže začínáme s 3p2.

A pak máme 3s2.

A pak doplnit z toho p-bloku sem,

takže je to 2p6.

A pak tady 2s2.

Samozřejmě, že se nejdříve
zaplnila první slupka,

než se mohly zaplnit ty další.

Takže 1s2.

Tak to je elektronová
konfigurace křemíku.

A potvrdíme si, že máme 14 elektronů.

2 plus 2 je 4, plus 6 je 10.

10 plus 2 je 12, plus 2 navíc je 14.

Takže křemík máme správně.

Myslím, že mi už dochází čas,
a tak další video začneme tím,

že se podíváme, co se stane,

když se dostaneme k těmto prvkům
neboli d-bloku.

A už teď můžete uhodnout, co se stane.

Začneme vyplňovat
tyto d-orbitaly tady,

které mají ještě prapodivnější tvary.

A způsob jakým o tom přemýšlet,
abychom neztráceli moc času,

je, že jak postupuje dál a dál od jádra,

je tu více místa mezi nízkoenergetickými
orbitaly prapodivných tvarů.

Jde tu o určitou rovnováhu,
o stojaté vlnění.

O tom budu vykládat více později,
ale jde o rovnováhu

mezi snahou
dostat se co nejblíž k jádru,

a zároveň vyrovnání náboje.

Víme totiž, že proton v jádru
je kladně nabitý a elektron záporně.

Zároveň víme, že se shodné náboje odpuzují
a opačné přitahují.

Každopádně, uvidíme se v dalším videu.