Lassen Sie mich das anders angehen als die anderen: Orbitale sind KEINE physischen Objekte! Sie existieren nicht im physikalischen Sinne, sie sind theoretische Konstrukte, chemische Konzepte, die helfen, mathematische Lösungen von Schrödinger / Dirac / Kohn-Sham / usw.-Gleichungen zu verstehen / zu visualisieren / usw.

Orbitale sind nicht eindeutig: gegebene lineare Kombinationen sind äquivalent zueinander und es gibt keine "richtigen Orbitale", man kann wählen, was sie wollen. Kanonische Orbitale, natürliche Orbitale usw. sind alle gut zu gehen.

Was ist der Beweis, dass sie existieren? Sie existieren nicht, sie sind nur mathematische Lösungen für gegebene Gleichungen, und es ist eine rein mathematische Frage, ob sie gute Lösungen für diese Gleichungen sind oder nicht. Die Theorien selbst stimmen mit experimentellen Daten überein, z. spektroskopische Eigenschaften, Geometrien, Reaktivität.

Die Antwort liegt in der experimentellen Chemie, insbesondere in aufeinanderfolgenden Ionisierungsenergien (dh wie viel Energie benötigt wird, um das erste Elektron, das zweite Elektron, das dritte Elektron usw. zu entfernen).

Jeder Punkt im Diagramm entspricht einem Element. Der erste ist Wasserstoff, der zweite ist Helium. Die Höhe jedes Punktes zeigt, wie viel Energie erforderlich ist, um das erste Elektron zu entfernen.

Sie können feststellen, dass die Energie im Allgemeinen über einen Zeitraum zunimmt. Dies liegt daran, dass in jedem aufeinanderfolgenden Element ein weiteres Proton vorhanden ist und diese stärkere Kernladung die äußeren Elektronen fester hält.

Erklären Sie nun Ihre Frage. Beachten Sie, dass es sich innerhalb eines Zeitraums (z. B. vom 3. bis zum 10. Punkt) nicht um eine konstante Zunahme handelt. Sie können sehen, dass zwischen dem 4. und 5. ein leichter Abfall auftritt, ebenfalls zwischen dem 7. und 8.

Die Erklärung dafür sind die Suborbitale. Einige Kenntnisse, die Sie wissen müssen, sind, dass Elektronensubschalen nur dann stabil sind, wenn sie leer, voll oder halb voll sind (wenn Sie später eine Erklärung für diesen Kommentar benötigen).

Untersuchen wir den vierten Punkt, der Beryllium darstellt. Es hat eine elektronische Konfiguration von 1s2 2s2. Alle seine Suborbitale sind voll, was bedeutet, dass es ziemlich stabil ist. Vergleichen Sie es mit dem 5. Punkt, Bor. Bor hat eine Konfiguration von 1s2 2s2 3p1. Jetzt hat das P-Orbital Platz für 6 Elektronen, aber dies hat nur 1! Es ist nicht glücklich. Es ist nicht voll oder halb voll. Aus diesem Grund wird versucht, das Elektron "loszuwerden", um stabiler zu sein. Deshalb benötigt es nicht so viel Energie, um das äußere Elektron zu entfernen.

Die Abnahme zwischen dem 6. und 7. erklärt sich aus der Tatsache, dass das p-Orbital im leeren, vollen oder halb vollen Zustand stabil ist. Der 7. Punkt (Stickstoff) hat 3 Elektronen in seinem p-Orbital (halb voll). Im Gegensatz zu Sauerstoff, der 4/6 hat. Dies ist nicht stabil, daher wird weniger Energie benötigt, um es zu entfernen.

TL-DR: Durch Analyse der Ionisierungsenergiediagramme können wir Muster erkennen, die durch Suborbitale erklärt werden können.

Wenn Sie eine grundlegendere / komplexere Erklärung benötigen, kommentieren Sie.

Oh, ich vermute, jemand könnte sich eine "Nur-S-Orbital" -Ansicht der Chemie einfallen lassen, ähnlich wie Menschen komplizierte Modelle für eine erdzentrierte Ansicht des Universums entwickelt haben.

Beginnen wir mit der einfachen Tatsache, dass das Lösen der Quantenmechanik für ein Wasserstoffatom Lösungen für s-, p-, d-, f-, g-Orbitale und sogar für die Entartung liefert (dh, dass es ein s-Typ-Orbital gibt, drei p-Typ, fünf d-Typ usw.) basierend auf dem Drehimpuls.

Wie oben beschrieben, stimmen Lösungen für die Vielelektronengleichungen (wenn auch ungefähr) sehr gut mit experimentellen Beobachtungen für Ionisierungsenergien, Elektronenaffinitäten, überein. usw.

Eine elegante Theorie und ein elegantes Experiment stimmen also in bemerkenswertem Maße überein.

Darüber hinaus wissen wir, dass es nicht sphärische Orbitale geben muss, da wir molekulare Formen mit Bindungswinkeln sehen. Ich kann mir keine Möglichkeit vorstellen, ein tetraedrisches Methan (geschweige denn irgendetwas anderes) ohne eine Art nicht-sphärisches Orbital zu beschreiben.

Wenn wir außerdem die Reaktivitäten von Molekülen betrachten, sehen wir Reaktionen, bei denen wir Einzelpaare oder radikale Spin-Dichte usw. vorhersagen.

Während Orbitale wirklich ein mathematisches Konstrukt sind, sind wir finden, sie sind unglaublich prädiktiv für eine breite Palette von Chemie. Meine Antwort wäre also "Wie können wir denken, dass es nicht verschiedene Arten von Orbitalen gibt?"

Woher wissen wir, dass es verschiedene Arten von Orbitalen gibt?

In den frühen Tagen der Atomspektroskopie konnten Wissenschaftler die spektralen Eigenschaften von Elementen wie Wasserstoff und Natrium erklären . Atome dieser Elemente hatten ein einzelnes Elektron in der äußersten Schale und erzeugten Spektren, die mit der relativ simplen Bohr-Theorie des Atoms übereinstimmen (was wir jetzt als solche betrachten). Bei der spektroskopischen Untersuchung komplexerer Atome wurde eine Feinstruktur beobachtet, die die Bohr-Theorie nicht erklären konnte. Diese Spektrallinien wurden oft als s Harfe, p Rincipal, d iffuse und f undamental bezeichnet.

Als die Quantenmechanik auftauchte, tauchte das Konzept der 4 Quantenzahlen auf, um ein Elektron zu beschreiben. Es wurde gefunden, dass die spektrale Feinstruktur nun erklärt werden kann, wenn diese verschiedenen Quantenzustände berücksichtigt werden. Um die Arbeit der frühen Spektroskopiker zu würdigen (die zur Entwicklung einer besseren Theorie führte), verwendeten die Wissenschaftler ihre Notation " s, p, d, f ", um die verschiedenen Werte für den Drehimpuls zu beschreiben Quantenzahl $ \ ell $.

Obwohl die Beobachtungen der frühen Spektroskopiker zu diesem Zeitpunkt nicht erklärt werden konnten, stellte sich heraus, dass sie tatsächlich spektrale Übergänge mit anderen Orbitalen (p, d, f) zusätzlich zu den beteiligten beobachteten das s Orbital. Die Beobachtung dieser spektralen Feinstruktur erfordert das Vorhandensein von Orbitalen, die sich von s-Orbitalen unterscheiden.

Während ich die anderen Antworten wirklich mag, ist der Beweis des 21. Jahrhunderts, dass wir dank der Rasterkraftmikroskopie (AFM) Bilder dieser Bahnen haben.

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

Wie getafix betonte, sind dies diese sind tatsächlich Bilder von räumlichen Elektronendichteverteilungen durch die untersuchten Moleküle. Der tatsächliche Beweis hier, dass das Modell, das den Orbitalterm verwendet, die gleichen Verteilungen vorhersagt, die wir mit AFM gemessen haben.