什么是简并轨道？ - 化学

在简并轨道谁是那些在相同的能量水平。根据此定义，它们必须具有相同的主量子数n。因此，由于2s和2p轨道属于能级2，因此它们是简并的。然而，已知它们的角波函数和径向波函数是不同的。

随着n值的增加，电子开始占据其他能量子能级，例如d和f轨道。这些轨道中的每一个都有自己的特征，乍一看可以看到它们的角形状；这些是球形（s），哑铃（p），苜蓿叶（d）和球形（f）数字。

资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔

它们之间存在能量上的差异，甚至属于相同的n级。

例如，上图显示了一种能量方案，其轨道被不成对的电子占据（异常情况）。可以看出，最稳定的（能量最低的一个）是ns轨道（1s，2s，…），而nf最不稳定（能量最高的一个）。

孤立原子的简并轨道

在能量方案中，具有n的相同值的简并轨道在同一行中。因此，代表p轨道的三个红色条纹位于同一行上；就像紫色和黄色的条纹一样。

图像中的图违反了洪德定律：高能轨道充满了电子，而电子在低能轨道中没有先配对。随着电子的交配，轨道失去能量，并在其他轨道的未成对电子上施加更大的静电排斥力。

但是，在许多能量图中都没有考虑这种影响。如果是这样，并且在不完全填充d轨道的情况下服从洪德定律，将会看到它们不再退化。

如前所述，每个轨道都有自己的特征。具有电子构型的孤立原子的电子排列在精确数量的轨道中以容纳它们。只有那些能量相等的分子才能被认为是简并的。

图像中退化的p轨道的三个红色条纹表示p _x，p _和 p _z具有相同的能量。每个都有一个不成对的电子，用四个量子数（n，l，ml和ms）描述，而前三个描述轨道。

它们之间唯一的区别是由磁矩毫升，吸引p的路径表示为_X上的x轴，第_ÿ在y轴上，并且p _Ž在z轴上。这三个都是相同的，但仅在空间方向上有所不同。因此，它们总是在能量上对齐排列，即退化。

由于它们相等，所以一个孤立的氮原子（配置1s ² 2s ² 2p ³）必须保持其三个p轨道简并。但是，如果人们考虑分子或化合物中的N原子，则能量的情况会突然改变。

为什么？因为尽管p _x，p _和 p _z的能量相等，但是如果它们具有不同的化学环境，则它们的能量可以变化。也就是说，如果它们结合到不同的原子上。

有五个紫色条纹表示d轨道。在一个孤立的原子中，即使它们有成对的电子，这五个轨道也被认为是简并的。但是，与p轨道不同，这次的角度形状存在明显差异。

因此，它的电子在空间中的传播方向从一个轨道到另一个轨道变化。根据晶体场的理论，这导致最小的扰动引起轨道的能量加倍。也就是说，五个紫色条纹分开，在它们之间留下了能隙：

资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔

什么是顶部轨道，什么是底部轨道？上面的那些表示为e _g，下面的t _2g表示。请注意，最初所有紫色条纹是如何对齐的，现在形成了比其他三个t _2g轨道更有活力的两个e _g轨道。

该理论使我们能够解释dd跃迁，在过渡金属化合物（Cr，Mn，Fe等）中观察到的许多颜色都归因于dd跃迁。这种电子干扰是由什么引起的？金属中心与其他称为配体的分子之间的配位相互作用。

随着轨道的变化，感觉到黄色的条纹，情况变得更加复杂。它们之间的空间方向差异很大，并且链接的可视化变得太复杂。

实际上，f轨道被认为是内部包裹着的，因此它们不会“明显地”参与键的形成。

当具有f轨道的孤立原子被其他原子包围时，相互作用开始并且发生展开（简并性的丧失）：

资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔

请注意，现在黄色条纹形成三组：t _1g，t _2g和_1g，它们不再退化。

已经看到，轨道可以展开并失去变性。然而，尽管这解释了电子跃迁，但在阐明如何以及为何存在不同的分子几何结构方面显得苍白无力。这是混合轨道进入的地方。

它的主要特点是什么？他们是堕落的。因此，它们来自s，p，d和f轨道的特征混合，从而引发简并杂种。

例如，三个p轨道与一个s混合得到四个sp ³轨道。所有sp ³轨道都是简并的，因此具有相同的能量。

此外，如果将两个d轨道与四个sp ³混合，我们将获得六个sp ³ d ²轨道。

他们如何解释分子的几何形状？由于有六个具有相等能量的分子，因此它们必须在空间中对称地定向以生成相等的化学环境（例如，在MF ₆化合物中）。

当它们这样做时，将形成配混八面体，该八面体等于围绕中心（M）的八面体几何形状。

但是，几何形状通常会失真，这意味着即使混合轨道也不会真正完全退化。因此，作为结论，简并轨道仅存在于孤立的原子或高度对称的环境中。