Numerele cuantice și orbitalii electroni

Chimia este în mare parte studiul interacțiunilor electronilor dintre atomi și molecule. Înțelegerea comportamentului electronilor într-un atom, cum ar fi principiul Aufbau, este o parte importantă a înțelegerii reacțiilor chimice. Teoriile atomice timpurii au folosit ideea că electronul unui atom respecta aceleași reguli ca un mini sistem solar unde planetele erau electroni care orbitau un soare de proton central. Forțele atractive electrice sunt mult mai puternice decât forțele gravitaționale, dar respectă aceleași reguli de bază pătrate inverse pentru distanță. Observațiile timpurii au arătat că electronii se mișcau mai mult ca un nor care înconjura nucleul, decât ca pe o planetă individuală. Forma norului, sau orbital, depindea de cantitatea de energie, moment unghiular și moment magnetic al electronului individual. Proprietățile configurației electronilor unui atom sunt descrise prin patru numere cuantice: n, ℓ, m, și s.

Primul număr cuantic

Primul este numărul cuantic al nivelului de energie, n. Într-o orbită, orbitele cu energie mai mică sunt aproape de sursa de atracție. Cu cât vei oferi mai multă energie pe orbită, cu atât va ieși mai departe. Dacă oferiți corpului suficientă energie, acesta va părăsi sistemul în întregime. Același lucru este valabil și pentru un orbital de electroni. Valori mai mari de n înseamnă mai multă energie pentru electron și raza corespunzătoare a norului de electroni sau orbital este mai departe de nucleu. Valori ale n începe de la 1 și urcă cu sume întregi. Cu cât valoarea lui n este mai mare, cu atât nivelul de energie corespunzător este mai aproape unul de celălalt. Dacă se adaugă suficientă energie la electron, acesta va lăsa atomul și va lăsa un ion pozitiv în urmă.

Al doilea număr cuantic

Al doilea număr cuantic este numărul cuantic unghiular, ℓ. Fiecare valoare de n are valori multiple de ℓ variind de la 0 la (n-1). Acest număr cuantic determină „forma” norului de electroni. În chimie, există nume pentru fiecare valoare de ℓ. Prima valoare, ℓ = 0 numită s orbital. s orbitalele sunt sferice, centrate pe nucleu. Al doilea, ℓ = 1 se numește p orbital. orbitalii p sunt de obicei polari și formează o formă de petală de lacrimă cu punctul către nucleu. ℓ = 2 orbital se numește d orbital. Acești orbitali sunt similari cu forma orbitală p, dar cu mai multe „petale” ca un trifoi. De asemenea, pot avea forme inelare în jurul bazei petalelor. Următorul orbital, ℓ = 3 se numește f orbital. Acești orbitali tind să arate similar cu d orbitalii, dar cu și mai multe „petale”. Valorile mai mari ale lui ℓ au nume care urmează în ordine alfabetică.

Al treilea număr cuantic

Al treilea număr cuantic este numărul cuantic magnetic, m. Aceste numere au fost descoperite pentru prima dată în spectroscopie când elementele gazoase au fost expuse la un câmp magnetic. Linia spectrală corespunzătoare unei orbite particulare s-ar diviza în mai multe linii atunci când un câmp magnetic ar fi introdus în gaz. Numărul de linii divizate ar fi legat de numărul cuantic unghiular. Această relație arată pentru fiecare valoare a lui ℓ, un set corespunzător de valori m variază de la -ℓ la ℓ. Acest număr determină orientarea orbitalului în spațiu. De exemplu, orbitalele p corespund lui ℓ = 1, pot avea m valori de -1,0,1. Aceasta ar reprezenta trei orientări diferite în spațiu pentru petalele gemene de formă orbitală p. De obicei sunt definite a fi p_X, p_y, p_z pentru a reprezenta axele cu care se aliniază.

Al patrulea număr cuantic

Al patrulea număr cuantic este numărul cuantic rotativ, s. Există doar două valori pentru s, +½ și -½. Acestea sunt, de asemenea, denumite „spin up” și „spin down”. Acest număr este folosit pentru a explica comportamentul electronilor individuali ca și cum s-ar roti în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic. Partea importantă a orbitalelor este faptul că fiecare valoare a m are doi electroni și avea nevoie de o modalitate de a-i distinge unul de celălalt.

Relaționarea numerelor cuantice cu orbitalii electroni

Aceste patru numere, n, ℓ, m, și s poate fi folosit pentru a descrie un electron într-un atom stabil. Numerele cuantice ale fiecărui electron sunt unice și nu pot fi partajate de alt electron în acel atom. Această proprietate este denumită Principiul de excludere Pauli. Un atom stabil are la fel de mulți electroni ca protoni. Regulile pe care le respectă electronii pentru a se orienta în jurul atomului lor sunt simple odată ce regulile care guvernează numerele cuantice sunt înțelese.

Pentru revizuire

• n poate avea valori întregi: 1, 2, 3, ...
• Pentru fiecare valoare de n, ℓ poate avea valori întregi de la 0 la (n-1)
• m poate avea orice valoare întreagă, inclusiv zero, de la -ℓ la + ℓ
• s poate fi + ½ sau -½