Cząstki, atomy i orbitale

Chemia jest trudną nauką głównie ze względu na wysoki poziom abstrakcji omawianych zagadnień. Jak bowiem wyobrazić sobie te wszystkie atomy, cząsteczki, wiązania i orbitale? Nasza wiedza o świecie opiera się głównie na doświadczeniach zmysłowych i fizyce makroskopowej, czyli fizyce przedmiotów życia codziennego. Fizyka cząstek elementarnych jest zdecydowanie odmienna. Nie można przewidzieć zachowania atomów opierając się dosłownie na zachowaniu kul bilardowych (chociaż można stosować pewne przybliżenia). Bariera abstrakcji dla wielu uczniów pozostaje zbyt duża aby w pełni zrozumieć bardziej skomplikowane zagadnienia z pogranicza chemii i fizyki. W tym tekście postaram się wyjaśnić czym są orbitale oraz hybrydyzacja w sposób możliwie najbardziej przystępny.

Zacznijmy od zupełnie najprostszych rzeczy, czyli zachowania cząstek elementarnych w atomie. Czy ktoś z was kiedykolwiek zastanawiał się dlaczego elektrony nie „spadną” na jądro atomowe? Skoro elektrony posiadają ładunek ujemny a protony ładunek dodatni, a jak wiadomo „+” i „-” przyciągają się, to dlaczego te cząstki nie zderzają się ze sobą w atomach? Zupełnie podobnie sytuacja ma się z Ziemią i Księżycem. Dlaczego Księżyc nie spadnie na Ziemię, skoro obydwa ciała się przyciągają? Dzieje się tak, ponieważ nasz satelita znajduje się w ciągłym ruchu obiegowym. Siła dośrodkowa powodowana przez ziemskie przyciąganie i ruch Księżyca utrzymuje go na stałej orbicie i nie pozwala się zbliżyć do Ziemi. Na poziomie podstawowym w ten sam sposób możemy tłumaczyć zachowanie elektronów, jednak nie będzie to do końca prawdą. Tutaj w grę wchodzi inne zjawisko. Zgodnie z zasadami termodynamiki każdy układ dąży do minimum energii, para proton-elektron również. Elektrony krążą wokół jądra wewnątrz przestrzeni nazywanych orbitalami (o nich trochę później). Każdy orbital ma określoną objętość wewnątrz której możemy z dużym prawdopodobieństwem znaleźć elektron (porusza się on tak szybko, że nie jest możliwe dokładne określenie jego położenia). Mało tego, jeden elektron poruszający się z prędkością światła może być jednocześnie w kilku miejscach! (Niemożliwe? A jednak – patrz zjawisko dualizmu korpuskularno-falowego). Jeżeli elektron może się znajdować w kilku miejscach jednocześnie to możliwe że oddziałuje on ze samym sobą. Wiadomo, że ładunki o tym samym znaku się odpychają, czyli elektron w obrębie orbitalu sam siebie odpycha! Jaki jest z tego wniosek? Gdyby elektron „miał zamiar” spaść na jądro musiałby najpierw obniżyć swoją orbitę aż do momentu zderzenia z jądrem. Razem z obniżeniem orbity cały orbital musiałby ulec skurczeniu, więc wzrosłaby jego gęstość i wzrosłyby siły odpychające wewnątrz niego. Czyli wraz z kurczeniem orbitalu drastycznie wzrasta jego energia, co jest niekorzystne z termodynamicznego punktu widzenia. Właśnie dlatego elektrony nie „spadają” na jądro.

Kiedy elektrony nadmiernie oddalają się od jądra ich energia również rośnie, gdyż dodatnie protony w pewien sposób neutralizują ich ładunek. Elektronowi nie jest „wygodnie” przebywać z dala od protonu, nic dziwnego gdyż obie cząstki posiadają przeciwne ładunki.

Możemy teraz sformułować bardzo ogólną, ale jednocześnie najbardziej zbliżoną do prawdziwej definicję orbitalu atomowego. Orbital atomowy jest zatem przestrzenią wokół jądra, wewnątrz której z dużym prawdopodobieństwem możemy znaleźć elektron. Przestrzenią ograniczoną dwiema barierami energetycznymi. Dolną – związaną z gęstością orbitalu oraz górną związaną z odległością elektronu od jądra. Najprościej mówiąc elektron krąży wewnątrz orbitalu balansując w granicach minimum energetycznego ograniczonego dwiema barierami, zatem orbital jest przestrzenią wewnątrz której elektron zachowuje minimum energetyczne. Jak się okaże później każdą barierę można złamać…;) c.d.n.