Kvantové čísla a elektrónové orbitály

Štyri kvantové čísla elektrónov

Ilustrácia anatómie atómu. Getty Images/BSIP/UIG

Chémia je väčšinou štúdium elektrónových interakcií medzi atómami a molekulami. Pochopenie správania sa elektrónov v atóme, ako napr konštrukčný princíp , je dôležitou súčasťou porozumenia chemické reakcie . Rané atómové teórie použil myšlienku, že elektrón atómu sa riadi rovnakými pravidlami ako mini slnečná sústava, kde planéty boli elektróny obiehajúce okolo centrálneho protónového slnka. Elektrické príťažlivé sily sú oveľa silnejšie ako gravitačné sily, ale riadia sa rovnakými základnými pravidlami pre vzdialenosť. Skoré pozorovania ukázali, že elektróny sa pohybovali skôr ako oblak obklopujúci jadro než ako individuálna planéta. Tvar oblaku alebo orbitálu závisel od množstva energie, moment hybnosti a magnetický moment jednotlivého elektrónu. Vlastnosti atómuelektrónová konfiguráciasú opísané štyrmi kvantové čísla : n , ℓ, m , a s .

Prvé kvantové číslo

Prvým je úroveň energie kvantové číslo, n . Na obežnej dráhe sú obežné dráhy s nižšou energiou blízko zdroja príťažlivosti. Čím viac energie telu na obežnej dráhe dáte, tým ďalej sa dostane „mimo“. Ak telu dodáte dostatok energie, úplne opustí systém. To isté platí pre elektrónový orbitál. Vyššie hodnoty n znamená viac energie pre elektrón a zodpovedajúci polomer elektrónového oblaku alebo orbitálu je ďalej od jadra. Hodnoty n začnite od 1 a stúpajte po celých číslach. Čím vyššia je hodnota n, tým bližšie sú zodpovedajúce energetické hladiny k sebe. Ak sa k elektrónu pridá dostatok energie, opustí atóm a zanechá a kladný ión pozadu.

Druhé kvantové číslo

The druhé kvantové číslo je uhlové kvantové číslo, ℓ. Každá hodnota n má viacero hodnôt ℓ v rozsahu hodnôt od 0 do (n-1). Toto kvantové číslo určuje „tvar“ elektrónový oblak . V chémii existujú názvy pre každú hodnotu ℓ. Prvá hodnota, ℓ = 0, sa nazýva orbitál s. s orbitály sú guľovité, sústredené v jadre. Druhý, ℓ = 1, sa nazýva p orbitál. orbitály p sú zvyčajne polárne a tvoria kvapkovitý tvar okvetného lístka s hrotom smerom k jadru. Orbitál ℓ = 2 sa nazýva orbitál d. Tieto orbitály sú podobné orbitálnemu tvaru p, ale majú viac „okvetných lístkov“ ako ďatelinový list. Môžu mať aj prstencové tvary okolo základne okvetných lístkov. Volá sa nasledujúci orbitál ℓ=3 orbitálny f . Tieto orbitály majú tendenciu vyzerať podobne ako d orbitály, ale majú ešte viac „okvetných lístkov“. Vyššie hodnoty ℓ majú názvy, ktoré nasledujú v abecednom poradí.

Tretie kvantové číslo

Tretie kvantové číslo je magnetické kvantové číslo, m . Tieto čísla boli prvýkrát objavené v spektroskopii, keď boli plynné prvky vystavené magnetickému poľu. Spektrálna čiara zodpovedajúca konkrétnej dráhe by sa rozdelila na viacero čiar, keď by sa cez plyn zaviedlo magnetické pole. Počet delených čiar by súvisel s uhlovým kvantovým číslom. Tento vzťah ukazuje pre každú hodnotu ℓ zodpovedajúcu množinu hodnôt m v rozsahu od -ℓ do ℓ. Toto číslo určuje orientáciu orbitálu v priestore. Napríklad, p orbitály zodpovedá ℓ=1, môže mať m hodnoty -1,0,1. To by predstavovalo tri rôzne orientácie v priestore pre dvojité okvetné lístky orbitálneho tvaru. Zvyčajne sú definované ako p_X, s_Y, s_saby predstavovali osi, s ktorými sú zarovnané.

Štvrté kvantové číslo

Štvrté kvantové číslo je spinové kvantum číslo, s . Existujú len dve hodnoty pre s , +½ a -½. Tie sa tiež označujú ako „roztočenie“ a „roztočenie“. Toto číslo sa používa na vysvetlenie správania jednotlivých elektrónov, ako keby sa otáčali v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek. Dôležitou súčasťou orbitálov je skutočnosť, že každá hodnota m má dva elektróny a potreboval spôsob, ako ich od seba odlíšiť.

Vzťah kvantových čísel k elektrónovým orbitálom

Tieto štyri čísla, n , ℓ, m , a s možno použiť na opis elektrónu v stabilnom atóme. Kvantové čísla každého elektrónu sú jedinečné a nemôžu byť zdieľané iným elektrónom v tomto atóme. Táto vlastnosť sa nazýva Pauliho princíp vylúčenia . Stabilný atóm má toľko elektrónov ako protónov. Pravidlá, ktorými sa elektróny riadia, aby sa orientovali okolo svojho atómu, sú jednoduché, keď pochopíme pravidlá, ktorými sa riadia kvantové čísla.

Na kontrolu

• n môže mať celé číslo: 1, 2, 3, ...
• Pre každú hodnotu n , ℓ môže mať celočíselné hodnoty od 0 do (n-1)
• m môže mať akúkoľvek hodnotu celého čísla, vrátane nuly, od -ℓ do +ℓ
• s môže byť buď +½ alebo -½