Podejdę do tego inaczej niż do innych: orbitale NIE są obiektami fizycznymi! Nie istnieją w sensie fizycznym, są konstrukcjami teoretycznymi, koncepcjami chemicznymi, które pomagają zrozumieć / wizualizować / itp. Matematyczne rozwiązania równań Schrodingera / Diraca / Kohna – Shama / itd.

Orbitale nie są unikalne: podane kombinacje liniowe są sobie równoważne i nie ma „prawidłowych orbitali”, można wybrać dowolne. Orbitale kanoniczne, orbitale naturalne itp. Są w porządku.

Jakie są dowody na ich istnienie? Nie istnieją, są po prostu rozwiązaniami matematycznymi dla danych równań i jest to kwestia czysto matematyczna, czy są one dobrymi rozwiązaniami tych równań, czy nie. Same teorie są zgodne z danymi eksperymentalnymi, np. właściwości spektroskopowe, geometrie, reaktywność.

Odpowiedź leży w chemii eksperymentalnej, a konkretnie w kolejnych energiach jonizacji (tj. ile energii potrzeba do usunięcia pierwszego elektronu, drugiego elektronu, trzeciego elektronu itd.).

Każdy punkt na wykresie odpowiada elementowi. Pierwszy to wodór, drugi to hel. Wysokość każdego punktu pokazuje, ile energii potrzeba do usunięcia pierwszego elektronu.

Możesz zauważyć, że generalnie energia rośnie z upływem czasu. Dzieje się tak, ponieważ w każdym kolejnym elemencie znajduje się jeszcze jeden proton, a ten silniejszy ładunek jądrowy mocniej „trzyma zewnętrzne elektrony”.

Teraz wyjaśnijmy swoje pytanie. Zwróć uwagę, że w okresie (np. Od trzeciej kropki do dziesiątej) nie jest to stały wzrost. Widać, że między 4 a 5 jest niewielki spadek, podobnie między 7 a 8.

Wyjaśnieniem tego są orbitale podrzędne. Pewna wiedza, którą musisz wiedzieć, jest taka, że ​​podpowłoki elektronowe są stabilne tylko wtedy, gdy są puste, pełne lub w połowie zapełnione (jeśli będziesz potrzebować wyjaśnienia do tego komentarza później).

Przeanalizujmy czwartą kropkę, która reprezentuje beryl. Posiada elektroniczną konfigurację 1s2 2s2. Wszystkie jego orbitale podrzędne są pełne, co oznacza, że ​​jest dość stabilny. Porównaj to z piątą kropką, borem. Bor ma konfigurację 1s2 2s2 3p1. Teraz orbital P ma miejsce na 6 elektronów, ale ma tylko 1! To nie jest szczęśliwe. Nie jest pełny lub w połowie pełny. Z tego powodu próbuje „pozbyć się” elektronu, aby był bardziej stabilny. Dlatego nie wymaga tak dużo energii, aby usunąć zewnętrzny elektron.

Spadek między 6. a 7. miejscem jest wyjaśniony tym, że orbital p jest stabilny, gdy jest pusty, pełny lub w połowie zapełniony. Siódma kropka (azot) ma 3 elektrony na orbicie p (w połowie pełny). W przeciwieństwie do tlenu, który ma 4/6. To nie jest stabilne, więc do jego usunięcia potrzeba mniej energii.

TL-DR: Analizując wykresy energii jonizacji, możemy zobaczyć wzory, które można wyjaśnić za pomocą podorbitali.

Jeśli potrzebujesz bardziej podstawowego / złożonego wyjaśnienia, skomentuj.

Och, podejrzewam, że ktoś mógłby wymyślić „tylko s-orbitalną” wizję chemii, podobnie jak ludzie wymyślili skomplikowane modele widoku wszechświata skoncentrowanego na Ziemi.

Zacznijmy z prostym faktem, że rozwiązanie mechaniki kwantowej dla atomu wodoru daje rozwiązania dla orbitali s, p, d, f, g .., a nawet degeneracji (tj. istnieje jeden orbital typu s, trzy orbital p, pięć typu d itp.) w oparciu o moment pędu.

Jak opisano powyżej, rozwiązania równań wieloelektronowych (aczkolwiek przybliżone) bardzo dobrze pasują do eksperymentalnych obserwacji energii jonizacji, powinowactwa elektronów, itd.

A więc elegancka teoria i doświadczenie zgadzają się w niezwykłym stopniu.

Poza tym wiemy, że muszą istnieć orbitale niesferyczne, ponieważ widzimy kształty molekularne z kątami wiązań. Nie potrafię wymyślić żadnego sposobu na opisanie tetraedrycznego metanu (nie mówiąc już o czymkolwiek innym) bez jakiegoś rodzaju niesferycznego orbitalu.

Co więcej, kiedy patrzymy na reaktywności cząsteczek, widzimy reakcje zachodzące, w których przewidujemy samotne pary lub radykalną gęstość spinów itp.

Chociaż orbitale są naprawdę konstrukcją matematyczną, odkrywają, że są niesamowicie przewidywalne dla szerokiego zakresu chemii. Więc moja odpowiedź brzmiałaby: „Jak możemy myśleć, że nie ma różnych rodzajów orbitali?”

Skąd wiemy, że istnieją różne typy orbitali?

Na początku spektroskopii atomowej naukowcy byli w stanie wyjaśnić właściwości spektralne pierwiastków, takich jak wodór i sód . Atomy tych pierwiastków miały pojedynczy elektron w zewnętrznej powłoce i wytwarzały widma, które pasowały do ​​(co teraz uważamy) stosunkowo uproszczonej teorii Bohra atomu. Kiedy bardziej złożone atomy badano spektroskopowo, zaobserwowano drobną strukturę, której teoria Bohra nie potrafiła wyjaśnić. Te linie widmowe były często określane jako s harfa, p rincipal, d iffuse i f undamental.

Gdy pojawiła się mechanika kwantowa, koncepcja 4 liczb kwantowych potrzebnych do opisania elektronu na powierzchni. Stwierdzono, że widmową subtelną strukturę można teraz wyjaśnić, biorąc pod uwagę te różne stany kwantowe. Aby uhonorować pracę wykonaną przez wczesnych spektroskopistów (która doprowadziła do opracowania lepszej teorii), naukowcy użyli notacji „ s, p, d, f ” do opisania różnych wartości momentu pędu liczba kwantowa $ \ ell $.

Tak więc, chociaż obserwacji poczynionych przez wczesnych spektroskopistów nie można było wówczas wyjaśnić, okazuje się, że w rzeczywistości obserwowali oni przejścia spektralne z udziałem innych orbitali (p, d, f) oprócz tych obejmujących orbital s. Obserwacja tej widmowej subtelnej struktury wymaga obecności orbitali różniących się od orbitali s.

Chociaż bardzo podobają mi się inne odpowiedzi, dowody z XXI wieku są takie, że mamy obrazy tych orbit dzięki mikroskopii sił atomowych (AFM).

• http://www.themarysue.com/electron-orbital-pictures/

Jak wskazał getafix, te są w rzeczywistości obrazami przestrzennych rozkładów gęstości elektronów badanych cząsteczek. Rzeczywisty dowód tutaj, że model, który używa terminu orbitalnego przewiduje te same rozkłady, co mierzyliśmy za pomocą AFM.