原子軌道の電子の波動関数によって定義された原子の領域です。波動関数は、シュレーディンガー方程式を解いて得られる数式です。これらは、空間内の1つ以上の電子のエネルギー状態、およびそれを見つける確率を表します。
化学者が結合と周期表を理解するために適用するこの物理的概念は、電子を同時に波と粒子と見なします。したがって、電子が核または太陽の周りの軌道を回転する惑星である太陽系の画像は破棄されます。
出典：ウィークメディア・コモンズを介して、ハードにより
この時代遅れの視覚化は、原子のエネルギーレベルを示すときに役立ちます。例：軌道を表す同心リングで囲まれた円、およびそれらの静的電子。実際、これは原子が子供や若者に紹介されるイメージです。
しかし、本当の原子構造は複雑すぎて大まかな絵を描くことさえできません。
そのとき、電子を波動粒子と見なし、水素原子のシュレディンガー微分方程式（すべての最も単純なシステム）を解くことで、有名な量子数が得られました。
これらの数値は、電子が原子内のどの場所も占有できないことを示していますが、離散的で量子化されたエネルギーレベルに従うものだけです。上記の数式は波動関数として知られています。
したがって、水素原子から、量子数によって支配される一連のエネルギー状態が推定されました。これらのエネルギー状態は原子軌道と呼ばれていました。
しかし、これらは水素原子における電子の行方を説明するだけでした。ヘリウム以降のその他の原子、ポリエレクトロニクスでは、軌道近似が行われました。どうして？2つ以上の電子を持つ原子のシュレーディンガー方程式を解くのは、非常に複雑であるためです（現在の技術でも）。
原子軌道とは何ですか？
原子軌道は、2つのコンポーネントから構成される波動関数です。1つはラジアル、もう1つはアンギュラーです。この数式は次のように記述されます。
Ψ nlml = R NL（R）YのLML（θφ）
最初は複雑に見えるかもしれませんが、量子数n、l、mlは小文字で示されています。つまり、これらの3つの数値は軌道を表します。動径関数としてよく知られているR nl（r）は、ニルに依存します。Y lml（θϕ）、角度関数はlとmlに依存します。
数式には、変数r、核までの距離、θとϕもあります。このすべての方程式の結果は、軌道の物理的な表現です。どれ？上の画像にあるもの。以下のセクションで説明する一連の軌道が表示されます。
それらの形状とデザイン（色ではない）は、空間における波動関数とその放射成分および角度成分をグラフ化したものです。
放射状波動関数
式に見られるように、R nl（r）はnとlの両方に依存します。したがって、動径波動関数はメインエネルギーレベルとそのサブレベルによって記述されます。
電子がその方向に関係なく写真を撮ることができれば、無限に小さな点が観察される可能性があります。次に、何百万枚もの写真を撮ると、コアまでの距離の関数として点群がどのように変化するかを詳しく知ることができます。
このようにして、遠くとコアの近くの雲の密度を比較できます。同じ操作が繰り返されたが、別のエネルギーレベルまたはサブレベルがある場合、前の雲を囲む別の雲が形成されます。2つの間には、電子が配置されない小さなスペースがあります。これは、放射状ノードと呼ばれます。
また、雲の中には、電子密度が高い領域と低い領域があります。それらが大きくなり、核から遠ざかるにつれ、放射状の節が増えます。さらに、電子がより頻繁に丸まり、見つけられる可能性が高い距離r。
角度波動関数
ここでも、Y lml（θϕ）は主に量子数lとmlで記述されることが方程式からわかります。今回は磁気量子数に関与するため、空間内の電子の方向が定義されます。この方向は、変数θとinvolvingを含む数式からグラフ化できます。
今は写真を撮るのではなく、原子内の電子の軌跡をビデオで記録します。前の実験とは異なり、電子がどこにあるかは正確にはわかりませんが、どこに行くのかはわかりません。
電子が移動するにつれて、それはより明確な雲を説明します。実際、球形の図、または画像に見られるような葉のある図。図の種類と空間での方向は、lとmlで表されます。
核の近くに、電子が通過せずに図が消える領域があります。このような領域は、コーナーノードと呼ばれます。
たとえば、最初の球面軌道を見ると、それがすべての方向で対称であるという結論にすぐに気づきます。しかし、これは他の軌道の場合とは異なり、その形状は空の空間を明らかにします。これらは、デカルト平面の原点、および葉の間の仮想平面で観察できます。
電子および化学結合を見つける確率
出典：ウィキメディア・コモンズ経由、CK-12 Foundation（ファイル：High School Chemistry.pdf、265ページ）
軌道で電子を見つける真の確率を決定するには、放射状と角度の2つの関数を考慮する必要があります。したがって、角度成分、つまり軌道の図解された形状を仮定するだけでは十分ではなく、それらの電子密度が核からの距離に対してどのように変化するかについても仮定します。
ただし、方向（ml）はある軌道を別の軌道から区別するため、軌道の形状のみを考慮することは（おそらく完全に正しくはないかもしれませんが）実用的です。このように、化学結合の説明は、これらの図の重複によって説明されます。
たとえば、上記は1、2、3の3つの軌道の比較画像です。内部の放射状ノードに注意してください。1s軌道にはノードがありませんが、他の2つには1つと2つのノードがあります。
化学結合を検討する場合、これらの軌道の球形のみを覚えておく方が簡単です。このようにして、ns軌道は別の軌道に近づき、距離rで、電子は隣接する原子の電子と結合を形成します。ここから、このリンクを説明するいくつかの理論家（TEVとTOM）が登場します。
彼らはどのように象徴されていますか？
原子軌道は、nl mlとして明示的に記号化されています。
量子数は整数値0、1、2などを取りますが、軌道を記号化するために、数値のみが残されます。lの場合、整数は対応する文字（s、p、d、f）に置き換えられます。mlの場合、変数または数式（ml = 0を除く）。
たとえば、1s軌道の場合：n = 1、s = 0、ml = 0。同じことがすべてのns軌道（2秒、3秒、4秒など）に適用されます。
残りの軌道を象徴するには、それぞれのエネルギーレベルと特性を備えたタイプに対処する必要があります。
タイプ
軌道s
量子数l = 0、およびml = 0（それらの放射成分と角度成分に加えて）は、球形の軌道を表します。これは、最初の画像の軌道のピラミッドを率いるものです。また、放射状ノードの画像からわかるように、4、5、6秒軌道には3、4、5つのノードがあることが予想されます。
それらは対称的であるという特徴があり、それらの電子はより効果的な核電荷を経験します。これは、その電子が内殻を貫通し、核に非常に接近してホバリングし、核に正の引力を及ぼすためです。
したがって、3秒の電子が2秒および1秒の軌道を通過して核に近づく可能性があります。SP混成軌道を持つ原子は、SPを有するものよりも（その隣の原子から電子密度を誘致する大きな傾向を有する）より電気陰性である理由この事実は説明3ブリダイゼーション。
したがって、s軌道の電子は、核電荷を最も経験し、よりエネルギー的に安定した電子です。一緒に、それらは他のサブレベルまたは軌道の電子にシールド効果を発揮します。つまり、最も外側の電子が経験する実際の核電荷Zを減少させます。
軌道p
出典：ウィキペディア経由のDavid Manthey
p軌道は量子数l = 1を持ち、ml = -1、0、+1の値を持ちます。つまり、これらの軌道の電子は3つの方向をとることができ、黄色のダンベルとして表されます（上の画像によると）。
各ダンベルはデカルトのx、y、z軸に沿って配置されていることに注意してください。したがって、x軸上にあるp軌道はp xと表されます。y、p y軸上のもの; そして、それがxy平面に垂直に、つまりz軸上を指している場合、それはp zです。
すべての軌道は互いに垂直です。つまり、軌道は90度の角度を成しています。同様に、角度関数は核（デカルト軸の原点）で消え、ローブ内の電子を見つける確率のみがあります（電子密度は動径関数に依存します）。
シールド効果が低い
これらの軌道の電子は、s軌道ほど簡単には内殻を貫通できません。それらの形を比較すると、p軌道は核に近いように見えます。ただし、ns電子は核の周囲でより頻繁に検出されます。
上記の結果は何ですか？np電子は低い実効核電荷を経験すること。さらに、後者はs軌道のシールド効果によってさらに減少します。これは、たとえば、sp 3ハイブリッド軌道を持つ原子がsp 2またはsp 軌道を持つ原子よりも電気陰性度が低い理由を説明します。
また、各ダンベルには角のある節平面がありますが、放射状ノードはありません（2p軌道のみ）。つまり、スライスした場合、2s軌道のように内部にレイヤーはありません。しかし、3p軌道以降では、放射状ノードが観測され始めます。
これらの角のノードは、不十分なシールド効果を経験する最も外側の電子の原因です。たとえば、2s電子は、2p電子が3s軌道よりも2p電子をよりよくシールドします。
Px、Py、Pz
mlの値は-1、0、および+1であるため、それぞれがPx、Py、またはPz軌道を表します。合計で、6つの電子（各軌道に2つ）を収容できます。この事実は、電子構成、周期表、およびいわゆるpブロックを構成する要素を理解するために重要です。
軌道d
出典：Wikimedia CommonsのHanilakkis0528による
d軌道の値はl = 2、ml = -2、-1、0、+ 1、+ 2です。したがって、合計10個の電子を保持できる5つの軌道があります。d軌道の5つの角度関数が上の図に示されています。
最初の3次元軌道には放射状ノードがありませんが、d z2軌道を除く他のすべての軌道には2つのノード平面があります。これらはクローバーの葉の形をしたオレンジ色の葉がどの軸にあるかを示すだけなので、画像の平面ではありません。2つの節点平面は、灰色の平面に対して垂直に二等分する平面です。
それらの形状は、有効な核電荷を遮蔽することにおいてそれらをさらに効果的にしない。どうして？それらがより多くのノードを持っているので、それを通して核は外部の電子を引き付けることができます。
したがって、すべてのd軌道は、1つのエネルギーレベルから別のレベルへの原子半径のあまり目立たない増加に寄与します。
軌道f
出典：Geek3、Wikimedia Commons
最後に、f軌道はl = 3、ml = -3、-2、-1、0、+ 1、+ 2、+ 3の値を持つ量子数を持っています。7つのf軌道があり、合計14個の電子があります。これらの軌道は、期間6から利用可能になり、表面的には4fとして記号化されます。
各角度関数は、複雑な形状といくつかの節平面を持つローブを表します。したがって、それらは外部電子をより少なくシールドし、この現象はランタニド収縮として知られているものを説明します。
このため、重い原子の場合、あるレベルnから別のレベルn + 1（たとえば、6nから7n）へのそれらの原子半径の顕著な変動はありません。これまでのところ、5f軌道は、天然原子または人工原子で最後に見つかったものです。
これらすべてを念頭に置いて、軌道と呼ばれるものと軌道の間に溝が開きます。テキスト的には似ていますが、実際には非常に異なります。
原子軌道と軌道近似の概念により、化学結合と、それが何らかの形で分子構造にどのように影響するかを説明することができました。
参考文献
- 震えとアトキンス。（2008）。無機化学。（第4版、Pp。13-8）。Mc Graw Hill。
- ハリー・B・グレイ。（1965）。電子と化学結合。WA Benjamin、Inc.ニューヨーク。
- キミチューブ。（sf）。原子軌道と量子数。回収元：quimitube.com
- Nave CR（2016）。電子軌道の可視化。回収元：hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- クラークJ.（2012）。原子軌道。から回復：chemguide.co.uk
- 量子物語。 （2011年8月26日）。原子軌道、高校嘘。から回復：cuentos-cuanticos.com