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d轨道

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由上而下为3d、4d、5d、6d轨道的立体模型
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化学原子物理学中,d轨道(英语:d orbital)是一种原子轨道,其角量子数为2,磁量子数可以为0、±1、±2,且每个壳层里有五个d轨道,共可容下10个电子。

d轨道是很常见的轨道,大部分的过渡金属轨道都是d轨道,在同一个主量子数中,d轨道是能量第三低的轨道,比s轨道与p轨道来的高,由于能级交错,若以周期的角度来看,第45周期中,在壳层中的d轨道能量很低,仅次于同一个价壳层中的s轨道。但第六周期出现能量更低的f轨道

另外,d轨道可以和s轨道p轨道发生杂化形成dsp杂化轨道[1][2]

命名

d轨道的“d”是“diffused”,其为“漫系光谱”之意。

结构

五种d轨道的形状,除了dz2之外,其他四个形状相同,只是方向不同
5d轨道模型,红色和蓝色中间空隙则为波节

d轨道从主量子数n=3开始出现,最小的d轨道是3d轨道,也就是说1d、2d轨道不存在,当角量子数为2时,其轨道为d轨道,主量子数不可小于三,对应于五个磁量子数2、1、0、-1、-2,在3d轨道中,有五个能量相同的3d轨道,同样的,主量子数为4以上时也有五个4d轨道,因此,每个壳层都有五个d轨道,它们分别为dz2dx2-y2dxydyzdxz,但是没有dx2dy2dy2-z2dx2-z2。在存在的五个d轨道(dz2dx2-y2dxydyzdxz)中,有四个形状相同,分别为:dx2-y2dxydyzdxz但方向不同,而dz2是五个d轨道中形状与众不同的一个,尽管如此,dz2轨道仍具有和dx2-y2dxydyzdxz相同之能量。

4d、5d、6d轨道可视为性质与3d轨道相似,只是大小比较大,其与p轨道类似,也有“正负性”,这些“正负性”变化在原子轨道彼此形成化学键时非常重要。

d轨道一样有波节面,类似于p轨道的形式,但dz2轨道中间的部分较特别,是一个环状结构像外的波,但电子出现概率和s轨道相反,例如4dz2轨道的中间部分:在靠近原子核之处电子出现概率几乎是0,然后开始增加,出现一个较高电子出现概率的环状区域,但继续向外看之后,随即降为0,接着又增加,出现一个更大的较高电子出现概率的环状区域,然后在距离原子核甚远的地方又为0,而上下的双哑铃形的结构则与p轨道相同。

电子波

5个d轨道的角量子数ℓ=2。角部分的d轨道经常会表示为:

的d轨道角部分的三次谐波为

dz2 dxz dyz dxy dx2-y2

能级交错

d轨道有能级交错现象。例如,3d的能量似乎应该低于4s,而实际上E3d>E4s。按能量最低原理,电子在进入核外电子层时,不是排完3p就排3d,而是先排4s,排完4s才排3d。

性质

d轨道在半填满和全填满时较稳定,因此,许多过渡金属倾向于失去d轨道的电子直到其成为半填满为止,如,原价电子排布为3d64s2,失去s轨道后还会再放出1个d轨道电子,使其成为Fe3+,排布为:3d5,此时d轨道半填满,因此Fe3+较稳定,这也是为何Fe2+离子倾向于变成Fe3+离子的原因。

周期表

周期表中,过渡金属的价轨道是d轨道,除了内过渡金属,另外,除了前三周期之外,大部分的非金属的价壳层之d轨道是填满的。

d区元素

d区元素是指元素周期表3族12族的元素。这些元素其新增加的电子皆填入d轨道,故称该区块为d区。这些元素又被称作过渡金属。周期表中从第4周期开始的每个周期都各有10个d区元素。

参考文献

引用

  1. ^ 含有d轨道的杂化作用. 化学键的共价键理论:现代价键理论. 彭军. [2012-01-28]. (原始内容存档于2015-04-02) (中文). 
  2. ^ An example of dsp2 hybridization. Chemical Bonding: Multiple bonds, d orbitals. [2012-01-28]. (原始内容存档于2012-01-18) (英语). 

书籍

参见