Liczby kwantowe i orbitale elektronowe
Cztery liczby kwantowe elektronów
Ilustracja anatomii atomu. Getty Images/BSIP/UIG
Chemia to głównie badanie interakcji elektronów między atomami i cząsteczkami. Zrozumienie zachowania elektronów w atomie, takich jak zasada konstrukcji , jest ważną częścią zrozumienia reakcje chemiczne . Wczesne teorie atomowe wykorzystał pomysł, że elektron atomu podlega tym samym zasadom, co mini układ słoneczny, w którym planety są elektronami krążącymi wokół centralnego słońca protonowego. Elektryczne siły przyciągania są znacznie silniejsze niż siły grawitacyjne, ale obowiązują te same podstawowe zasady odwrotności kwadratów dotyczące odległości. Wczesne obserwacje wykazały, że elektrony poruszały się bardziej jak chmura otaczająca jądro, a nie jak pojedyncza planeta. Kształt chmury, czyli orbity, zależał od ilości energii, moment pędu i moment magnetyczny pojedynczego elektronu. Właściwości atomukonfiguracja elektronówsą opisane przez cztery liczby kwantowe : n , , m , oraz s .
Pierwsza liczba kwantowa
Pierwszy to poziom energii Liczba kwantowa, n . Na orbicie orbity o niższej energii są blisko źródła przyciągania. Im więcej energii oddajesz ciału na orbicie, tym dalej odchodzi. Jeśli dasz ciału wystarczającą ilość energii, całkowicie opuści system. To samo dotyczy orbitali elektronowych. Wyższe wartości n oznacza więcej energii dla elektronu, a odpowiedni promień chmury elektronowej lub orbity jest dalej od jądra. Wartości n zacznij od 1 i idź w górę o liczby całkowite. Im wyższa wartość n, tym bliżej siebie znajdują się odpowiednie poziomy energetyczne. Jeśli do elektronu zostanie dodana wystarczająca ilość energii, opuści on atom i pozostawi a jon dodatni za.
Druga liczba kwantowa
The druga liczba kwantowa jest kątową liczbą kwantową, ℓ. Każda wartość n ma wiele wartości ℓ w zakresie od 0 do (n-1). Ta liczba kwantowa określa „kształt” Chmura elektronowa . W chemii istnieją nazwy dla każdej wartości ℓ. Pierwsza wartość, ℓ = 0, nazywana jest orbitalem s. Orbitale s są kuliste, wyśrodkowane na jądrze. Drugi, ℓ = 1, nazywamy orbitalem p. Orbitale p są zwykle biegunowe i tworzą kształt płatka łzy z punktem w kierunku jądra. Orbital ℓ = 2 nazywamy orbitalem d. Te orbitale są podobne do kształtu orbitali p, ale mają więcej „płatków”, takich jak koniczyna. Mogą również mieć kształt pierścienia wokół podstawy płatków. Następny orbital, ℓ=3, nazywa się f orbital . Te orbitale wydają się wyglądać podobnie do orbitali d, ale z jeszcze większą liczbą „płatków”. Wyższe wartości ℓ mają nazwy w kolejności alfabetycznej.
Trzecia liczba kwantowa
Trzecia liczba kwantowa to magnetyczna liczba kwantowa, m . Liczby te zostały po raz pierwszy odkryte w spektroskopii, gdy pierwiastki gazowe zostały wystawione na działanie pola magnetycznego. Linia widmowa odpowiadająca określonej orbicie podzieliłaby się na wiele linii, gdy pole magnetyczne zostałoby wprowadzone przez gaz. Liczba linii podziału byłaby powiązana z kątową liczbą kwantową. Ta zależność pokazuje dla każdej wartości ℓ odpowiedni zestaw wartości m znajduje się w zakresie od -ℓ do ℓ. Ta liczba określa orientację orbitalu w przestrzeni. Na przykład, p orbitali odpowiada ℓ=1, może mieć m wartości -1,0,1. Reprezentowałoby to trzy różne orientacje w przestrzeni dla bliźniaczych płatków o kształcie orbitalnym p. Zwykle definiuje się je jako px, pTak, pzdo reprezentowania osi, z którymi się wyrównują.
Czwarta liczba kwantowa
Czwarta liczba kwantowa to kwant spinowy numer, s . Istnieją tylko dwie wartości dla s , +½ i -½. Są one również określane jako „spin up” i „spin down”. Ta liczba służy do wyjaśnienia zachowania poszczególnych elektronów tak, jakby wirowały w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Ważną częścią orbitali jest fakt, że każda wartość m ma dwa elektrony i potrzebował sposobu na odróżnienie ich od siebie.
Powiązanie liczb kwantowych z orbitalami elektronowymi
Te cztery liczby, n , , m , oraz s może służyć do opisu elektronu w stabilnym atomie. Liczby kwantowe każdego elektronu są unikalne i nie mogą być wspólne dla innego elektronu w tym atomie. Ta właściwość nazywa się Zasada wykluczenia Pauliego . Stabilny atom ma tyle samo elektronów, co protonów. Zasady, którymi podążają elektrony, aby orientować się wokół atomu, są proste po zrozumieniu zasad rządzących liczbami kwantowymi.
Do wglądu
- n może mieć wartości liczb całkowitych: 1, 2, 3, ...
- Dla każdej wartości n , ℓ może mieć wartości całkowite od 0 do (n-1)
- m może mieć dowolną wartość całkowitą, w tym zero, od -ℓ do +ℓ
- s może być +½ lub -½