วงโคจรในวิชาเคมีคืออะไร?

เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ เส้นทางที่แม่นยำซึ่งเรียกว่าวงโคจรสามารถติดตามได้ มุมมองที่เรียบง่ายอย่างมากของอะตอมนั้นดูคล้ายกัน โดยมีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส อย่างไรก็ตามความจริงนั้นแตกต่างออกไป อิเล็กตรอนอาศัยอยู่ในพื้นที่ที่เรียกว่าออร์บิทัล วงโคจรและวงโคจรเป็นคำที่คล้ายกัน แต่มีแนวคิดที่แตกต่างกันมากและไม่ควรสับสน

แบบจำลองของบอร์

ในฟิสิกส์อะตอม แบบจำลองบอร์อธิบายอะตอมว่าเป็นนิวเคลียสขนาดเล็กที่มีประจุบวกล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเหล่านี้เคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบนิวเคลียส มันเป็นโครงสร้างที่คล้ายกับระบบสุริยะ ยกเว้นว่ามันเป็นแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตไม่ใช่แรงโน้มถ่วง

แม้ว่าจะมีประโยชน์ในการอธิบายการเกิดปฏิกิริยาและพันธะเคมีของธาตุบางชนิด แบบจำลองอะตอมของบอร์ไม่ได้สะท้อนถึงวิธีการกระจายอิเล็กตรอนในช่องว่างรอบนิวเคลียสอย่างถูกต้อง นี่เป็นเพราะอะตอมไม่ได้หมุนรอบนิวเคลียสเหมือนโลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ แต่อยู่ในวงโคจรของอิเล็กตรอนแทน รูปร่างที่ค่อนข้างซับซ้อนเหล่านี้เกิดจากการที่อิเล็กตรอนไม่เพียงทำตัวเหมือนอนุภาค แต่ยังเหมือนคลื่นอีกด้วย สมการทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัมหรือที่เรียกว่าฟังก์ชันคลื่นสามารถทำนายด้วยความน่าจะเป็นในระดับหนึ่งว่าอิเล็กตรอนจะอยู่ที่ใด ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ดังนั้นพื้นที่ที่อิเล็กตรอนน่าจะอยู่ได้มากที่สุดจึงเรียกว่าวงโคจรของมัน

วงโคจรของอะตอม

วงโคจรของอะตอม มี รูปร่างต่างกัน แต่ทั้งหมดมีศูนย์กลางอยู่ที่นิวเคลียสของอะตอม ออร์บิทัลที่พบมากที่สุดในเคมีควอนตัมเบื้องต้นคือออร์บิทัลที่สอดคล้องกับเชลล์ย่อย s, p และ d อย่างไรก็ตาม f ออร์บิทัลยังพบได้ในสถานะพื้นของอะตอมที่หนักกว่า ลำดับที่อิเล็กตรอนเติมออร์บิทัลของอะตอมและรูปร่างของออร์บิทัลเป็นปัจจัยสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมทางเคมีของอะตอมและปฏิกิริยาของอะตอม

เปลือกอิเล็กตรอนตัวแรก

ออร์บิทัลที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดเรียกว่าออร์บิทัล 1s สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัว มันถูกเรียกว่าออร์บิทัล 1s เพราะมันเป็นทรงกลมรอบนิวเคลียส ออร์บิทัล 1s จะถูกเติมก่อนออร์บิทัลอื่นเสมอ

ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ดังนั้นจึงมีเพียงจุดเดียวในวงโคจร 1 วินาทีเท่านั้น จุดนี้กำหนดให้เป็น 1s1 โดยที่ตัวยก 1 หมายถึงอิเล็กตรอนในวงโคจร 1s ในทางกลับกัน ฮีเลียมมีอิเล็กตรอนสองตัว ดังนั้นมันจึงสามารถเติมอิเล็กตรอนสองตัวในออร์บิทัล 1s ได้อย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้เรียกว่า 1s2 ซึ่งหมายถึงอิเล็กตรอนสองตัวในฮีเลียมในออร์บิทัล 1s

ในตารางธาตุ ไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นเพียงสองธาตุในแถวแรก (คาบ) เนื่องจากเป็นธาตุเดียวที่มีอิเล็กตรอนในวงโคจร 1s วงแรกเท่านั้น

เปลือกอิเล็กตรอนที่สอง

เปลือกอิเล็กตรอนที่สองสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้แปดตัว เปลือกนี้ประกอบด้วยออร์บิทัลทรงกลมอีก s และออร์บิทัล p รูปทรงระฆังสามอัน ซึ่งแต่ละออร์บิทัลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สองตัว เมื่อเติมออร์บิทัล 1s แล้ว เชลล์อิเล็กตรอนตัวที่สองจะถูกเติม โดยเติมออร์บิทัล 2s ก่อน จากนั้นตามด้วยออร์บิทัล p 3 ตัว การเติมออร์บิทัล p แต่ละครั้งจะใช้อิเล็กตรอนตัวเดียว เมื่อ p ออร์บิทัลแต่ละอันมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัว สามารถเพิ่มหนึ่งวินาทีได้

เพื่อเป็นตัวอย่าง เราสามารถใช้ลิเธียม (Li) ซึ่งมีอิเล็กตรอนสามตัวที่ครอบครองเชลล์ที่หนึ่งและที่สอง อิเล็กตรอน 2 ตัวเติมในออร์บิทัล 1s และอิเล็กตรอนตัวที่สามเติมในออร์บิทัล 2s ดังนั้นการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของลิเธียมคือ 1s22s1

ในส่วนของนีออน (Ne) มีอิเล็กตรอนทั้งหมด 10 ตัว โดยสองตัวอยู่ในออร์บิทัล 1s ที่อยู่ด้านในสุด และอีก 8 ตัวจะเติมอิเล็กตรอนในวงโคจรที่สอง (2 ตัวในออร์บิทัล 2s และอีก 3 ตัวในออร์บิทัล p) ดังนั้นจึงเป็นก๊าซเฉื่อยและมีความเสถียรทางพลังงาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงไม่ค่อยสร้างพันธะเคมีกับอะตอมอื่น

เปลือกอิเล็กตรอนที่สาม

องค์ประกอบที่ใหญ่กว่าจะมีออร์บิทัลพิเศษซึ่งประกอบกันเป็นเปลือกอิเล็กตรอนที่สาม เส้นใยย่อย d และ f มีรูปร่างที่ซับซ้อนกว่าและมีออร์บิทัล 5 และ 7 ออร์บิทัลตามลำดับ เปลือกหลัก 3n มีเปลือกย่อย pyd สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 18 ตัว เปลือกหลักที่ 4n มีออร์บิทัล s, p, d และ f และสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 32 ตัว

เมื่อเราเคลื่อนห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น จำนวนอิเล็กตรอนและออร์บิทัลในระดับพลังงานจะเพิ่มขึ้น เมื่อย้ายจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งบนตารางธาตุ โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์สามารถสร้างขึ้นได้โดยการวางอิเล็กตรอนเพิ่มอีกหนึ่งตัวในออร์บิทัลถัดไปที่มีอยู่

คุณสมบัติของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล

อิเล็กตรอนแสดงความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค ซึ่งหมายความว่าพวกมันแสดงคุณสมบัติบางอย่างของอนุภาคและคุณลักษณะบางอย่างของคลื่น ในบรรดาคุณสมบัติของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเพียง -1 และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล

นอกจากนี้ อิเล็กตรอนไม่ได้โคจรรอบนิวเคลียสเหมือนที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ วงโคจรเป็นคลื่นนิ่งที่มีระดับพลังงานเหมือนฮาร์มอนิกบนสายที่สั่น ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าของอิเล็กตรอนเปรียบเสมือนความถี่พื้นฐานของสายการสั่น ในขณะที่ระดับพลังงานที่สูงกว่านั้นเปรียบเสมือนฮาร์มอนิก ประการสุดท้าย บริเวณที่อาจมีอิเล็กตรอนอยู่นั้นมีลักษณะเหมือนเมฆหรือชั้นบรรยากาศมากกว่า ยกเว้นเมื่อความน่าจะเป็นวาดเป็นทรงกลม ซึ่งจะใช้ได้เฉพาะเมื่ออะตอมมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว

แหล่งที่มา

• บาร์ราดาส, F. (2016). วงโคจรในการศึกษาเคมี : การวิเคราะห์ผ่าน การ แสดงกราฟิก
• เดอ เยซูส อี. (2546). วงโคจรและพันธะเคมี