Kvantna števila in elektronske orbitale
Štiri kvantna števila elektronov
Ilustracija anatomije atoma. Getty Images/BSIP/UIG
Kemija je večinoma preučevanje interakcij elektronov med atomi in molekulami. Razumevanje obnašanja elektronov v atomu, kot je npr princip gradnje , je pomemben del razumevanja kemične reakcije . Zgodnje atomske teorije uporabil idejo, da elektron atoma sledi istim pravilom kot mini sončni sistem, kjer so bili planeti elektroni, ki krožijo okoli središča protonskega sonca. Električne privlačne sile so veliko močnejše od gravitacijskih sil, vendar sledijo istim osnovnim inverznim kvadratnim pravilom za razdaljo. Zgodnja opazovanja so pokazala, da se elektroni gibljejo bolj kot oblak, ki obdaja jedro, in ne kot posamezen planet. Oblika oblaka ali orbitale je bila odvisna od količine energije, kotni moment in magnetni moment posameznega elektrona. Lastnosti atomaelektronska konfiguracijaopisujejo štirje kvantna števila : n , ℓ, m , in s .
Prvo kvantno število
Prvi je raven energije kvantno število, n . V orbiti so orbite z nižjo energijo blizu vira privlačnosti. Več energije daste telesu v orbiti, dlje gre 'ven'. Če telesu daste dovolj energije, bo popolnoma zapustilo sistem. Enako velja za elektronsko orbitalo. Višje vrednosti n pomeni več energije za elektron in ustrezen polmer elektronskega oblaka ali orbitale je bolj oddaljen od jedra. Vrednote n začnite pri 1 in pojdite navzgor za celo število. Višja kot je vrednost n, bližje sta si ustrezni energijski ravni. Če se elektronu doda dovolj energije, bo zapustil atom in zapustil a pozitivni ion zadaj.
Drugo kvantno število
The drugo kvantno število je kotno kvantno število, l. Vsaka vrednost n ima več vrednosti ℓ, ki segajo v vrednosti od 0 do (n-1). To kvantno število določa 'obliko' elektronski oblak . V kemiji obstajajo imena za vsako vrednost ℓ. Prva vrednost, ℓ = 0, se imenuje s orbitala. orbitale so sferične, s središčem v jedru. Drugi, ℓ = 1, se imenuje p orbitala. p orbitale so običajno polarne in tvorijo obliko cvetnega lista v obliki solze s konico proti jedru. ℓ = 2 orbitala se imenuje d orbitala. Te orbitale so podobne obliki p-orbitale, vendar z več 'cvetnimi listi' kot list deteljice. Lahko imajo tudi obročaste oblike okoli dna cvetnih listov. Pokliče se naslednja orbitala, ℓ=3 f orbitala . Te orbitale so ponavadi podobne orbitalam d, vendar imajo še več 'cvetnih listov'. Višje vrednosti ℓ imajo imena, ki sledijo po abecednem vrstnem redu.
Tretje kvantno število
Tretje kvantno število je magnetno kvantno število, m . Te številke so bile prvič odkrite v spektroskopiji, ko so bili plinasti elementi izpostavljeni magnetnemu polju. Spektralna črta, ki ustreza določeni orbiti, bi se razdelila na več črt, ko bi čez plin uvedli magnetno polje. Število razcepljenih črt bi bilo povezano s kotnim kvantnim številom. Ta odnos kaže za vsako vrednost ℓ ustrezen nabor vrednosti m v razponu od -ℓ do ℓ. To število določa orientacijo orbite v prostoru. na primer p orbitale ustreza ℓ=1, lahko ima m vrednosti -1,0,1. To bi predstavljalo tri različne orientacije v prostoru za cvetne liste dvojčkov orbitalne oblike p. Običajno so opredeljeni kot px, strY, strzda predstavljajo osi, s katerimi so poravnani.
Četrto kvantno število
Četrto kvantno število je spinski kvant številka, s . Obstajata samo dve vrednosti za s , +½ in -½. Te se imenujejo tudi 'vrtenje navzgor' in 'vrtenje navzdol'. To število se uporablja za razlago obnašanja posameznih elektronov, kot da bi se vrteli v smeri urinega kazalca ali nasprotni smeri urinega kazalca. Pomemben del orbital je dejstvo, da je vsaka vrednost m ima dva elektrona in je potreboval način, kako ju razlikovati enega od drugega.
Povezava kvantnih števil z elektronskimi orbitalami
Te štiri številke, n , ℓ, m , in s lahko uporabimo za opis elektrona v stabilnem atomu. Kvantna števila vsakega elektrona so edinstvena in si jih ne morejo deliti drugi elektroni v tem atomu. Ta lastnost se imenuje Paulijevo izključitveno načelo . Stabilen atom ima toliko elektronov kot protonov. Pravila, ki jim elektroni sledijo, da se orientirajo okoli svojega atoma, so preprosta, ko razumemo pravila, ki urejajo kvantna števila.
Za pregled
- n lahko ima cele številke: 1, 2, 3, ...
- Za vsako vrednost n , l ima lahko celoštevilske vrednosti od 0 do (n-1)
- m ima lahko poljubno celo število, vključno z ničlo, od -ℓ do +ℓ
- s lahko +½ ali -½