d軌域
在化學與原子物理學中,d軌域(英語:d orbital)是一種原子軌域,其角量子數為2,磁量子數可以為0、±1、±2,且每個殼層裡有五個d軌域,共可容下10個電子。
d軌域是很常見的軌域,大部分的過渡金屬的價軌域都是d軌域,在同一個主量子數中,d軌域是能量第三低的軌域,比s軌域與p軌域來的高,由於能階交錯,若以週期的角度來看,第4、5週期中,在價殼層中的d軌域能量很低,僅次於同一個價殼層中的s軌域。但第六週期出現能量更低的f軌域。
命名
d軌域的「d」是「diffused」,其為「漫系光譜」之意。
結構
d軌域從主量子數n=3開始出現,最小的d軌域是3d軌域,也就是說1d、2d軌域不存在,當角量子數為2時,其軌域為d軌域,主量子數不可小於三,對應於五個磁量子數2、1、0、-1、-2,在3d軌域中,有五個能量相同的3d軌域,同樣的,主量子數為4以上時也有五個4d軌域,因此,每個殼層都有五個d軌域,它們分別為dz2、dx2-y2、dxy、dyz、dxz,但是沒有dx2、dy2、dy2-z2、dx2-z2。在存在的五個d軌域(dz2、dx2-y2、dxy、dyz、dxz)中,有四個形狀相同,分別為:dx2-y2、dxy、dyz、dxz但方向不同,而dz2是五個d軌域中形狀與眾不同的一個,儘管如此,dz2軌域仍具有和dx2-y2、dxy、dyz及dxz相同之能量。
4d、5d、6d軌域可視為性質與3d軌域相似,只是大小比較大,其與p軌域類似,也有「正負性」,這些「正負性」變化在原子軌域彼此形成化學鍵時非常重要。
d軌域一樣有波節面,類似於p軌域的形式,但dz2軌域中間的部分較特別,是一個環狀結構像外的波,但電子出現概率和s軌域相反,例如4dz2軌域的中間部分:在靠近原子核之處電子出現概率幾乎是0,然後開始增加,出現一個較高電子出現概率的環狀區域,但繼續向外看之後,隨即降為0,接著又增加,出現一個更大的較高電子出現概率的環狀區域,然後在距離原子核甚遠的地方又為0,而上下的雙啞鈴形的結構則與p軌域相同。
電子波
5個d軌域的角量子數ℓ=2。角部分的d軌道經常會表示為:
的d軌道角部分的三次諧波為
和
dz2 | dxz | dyz | dxy | dx2-y2 |
---|---|---|---|---|
能階交錯
d軌域有能階交錯現象。例如,3d的能量似乎應該低於4s,而實際上E3d>E4s。按能量最低原理,電子在進入核外電子層時,不是排完3p就排3d,而是先排4s,排完4s才排3d。
性質
d軌域在半填滿和全填滿時較穩定,因此,許多過渡金屬傾向於失去d軌域的電子直到其成為半填滿為止,如鐵,原價電子組態為3d64s2,失去s軌域後還會再放出1個d軌域電子,使其成為Fe3+,組態為:3d5,此時d軌域半填滿,因此Fe3+較穩定,這也是為何Fe2+離子傾向於變成Fe3+離子的原因。
週期表
在周期表中,過渡金屬的價軌域是d軌域,除了內過渡金屬,另外,除了前三周期之外,大部分的非金屬的價殼層之d軌域是填滿的。
d區元素
d區元素是指元素週期表中3族至12族的元素。這些元素其新增加的電子皆填入d軌域,故稱該區塊為d區。這些元素又被稱作過渡金屬。週期表中從第4週期開始的每個週期都各有10個d區元素。
參考文獻
引用
- ^ 含有d轨道的杂化作用. 化學鍵的共價鍵理論:現代價鍵理論. 彭軍. [2012-01-28]. (原始內容存檔於2015-04-02) (中文).
- ^ An example of dsp2 hybridization. Chemical Bonding: Multiple bonds, d orbitals. [2012-01-28]. (原始內容存檔於2012-01-18) (英語).
書籍
- 曾國輝《原子結構》建宏出版社 台北市 1999 ISBN 957-724-801-2