Tabla de Contenidos
Материята се състои от малки частици, наречени атоми. Те от своя страна са изградени от малко положително заредено ядро, което е заобиколено от отрицателно зареден облак от електрони. Квантовите числа са поредица от цели числа или прости дроби, които се използват, за да опишат по прост начин начина, по който тези електрони са структурирани около ядрото . Тези квантови числа ни позволяват да дефинираме регионите в пространството, в които могат да бъдат намерени електрони, които се наричат атомни орбитали.
Разбирането на квантовите числа е първата стъпка към разбирането на електронната конфигурация на елементите, което ни позволява да разберем по много прост и елегантен начин трансформациите на материята, които се изучават в химията.
Квантова теория и уравнението на Шрьодингер
Физиката, която описва движението на снаряди и планети, спира да работи добре, когато нещата са безкрайно малки. Теорията, която най-добре описва материята на атомно ниво, е квантовата теория. Точно както законите на Нютон формират основата на класическата физика, една от фундаменталните основи на квантовата теория е уравнението на Шрьодингер, от което възникват квантовите числа и атомните орбитали.
Уравнението на Шрьодингер е диференциално уравнение, което описва поведението на електроните като вълни. В най-простия си вариант се изписва така:
Ψ е вълновата функция, която математически описва атома.
Вълнова функция и атомни орбитали
Атомните орбитали възникват от уравнението на Шрьодингер или по-точно от вълновата функция. Дълго време имаше дискусии за това какво означава вълновата функция, докато не беше открито, че нейният квадрат, тоест Ψ 2 , определя вероятността за намиране на електрон на определено място в пространството.
Това позволи на квантовите физици и химици да дефинират регионите около ядрото, където е най-вероятно да се открият електрони, оттук и съвременната концепция за атомна орбитала. Всъщност атомната орбитала се определя в химията и квантовата механика като област от пространството, в която има 90% вероятност да се намери електрон .
квантови числа
Уравнението на Шрьодингер не е уравнение, което има само едно решение. Всъщност има безкрайно много решения на това уравнение и всички те се определят от квантови числа. Формално, квантовите числа възникват от различните вълнови функции, получени чрез решаване на уравнението на Шрьодингер за водородния атом. Всяка комбинация от тези числа води до различна вълнова функция и следователно води до различна атомна орбитала.
Какво представляват квантовите числа и колко струват?
Има три квантови числа, които определят атомна орбитала, и едно допълнително, което идентифицира конкретен електрон, открит в тази орбитала. Тези числа са:
- Главно квантово число или енергийно ниво (n)
- Вторично квантово число или ъглов момент ( l )
- Магнитно квантово число (m l )
- Спиново квантово число на електрона (m s )
Главно квантово число или енергийно ниво (n)
Главното квантово число определя във водородния атом енергийното ниво на една орбитала. Той се появява и в атомния модел на Бор и е свързан със средното разстояние на електроните от ядрото. В атоми с повече от един електрон действителното енергийно ниво на всяка орбитала също зависи от наличието на електрони в другите орбитали.
Това квантово число може да приема само естествените числа като стойности: 1, 2, 3,…
Наборът от орбитали, които съставляват всяко основно енергийно ниво, се нарича обвивка и се свързва с главна буква от азбуката, започваща с K.
| Главно квантово число (n) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6… |
| Слой | к | Л | м | Не. | ИЛИ | П… |
Вторично квантово число или ъглов момент ( l )
Ъгловият импулс определя формата на орбитала. Във всяка обвивка или основно енергийно ниво може да има няколко различни типа орбитали, разграничени от стойността на техния ъглов импулс, за всяка от които се получава характерна форма.
Възможните стойности на ъгловия момент зависят от главното квантово число. Всъщност ъгловият импулс l може да приема като стойност само тези цели числа, които преминават от нула (0) до n – 1 .
Това означава, че на ниво n=1, l може да приеме само стойността на n-1=0. На ниво n=2, l мога да приема 0 и 1 като стойности и т.н.
Числото на ъгловия момент се нарича още енергийна под-обвивка, а наборът от орбитали във всяка под-обвивка също се нарича под-обвивка. Всяко подниво също е свързано с малка буква, която е свързана с формата на вълновата функция. Следната таблица показва тази връзка:
| Квантово число на ъглов момент ( l ) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4… |
| Слой | да | стр | д | Е | g… |
Магнитно квантово число (m l )
Магнитният момент ml е свързан с ориентацията в пространството на всяка орбитала.
Това квантово число може да приема като стойност само онези цели числа, които са между –l и +l , включително нула.
Например, ако l =2 (подниво d), m l може да приема стойностите от -2, -1, 0, +1 и +2.
Всяка стойност на магнитния момент във всяка подчерупка идентифицира определена орбитала. Тогава може да се каже, че броят на възможните магнитни квантови числа показва колко орбитали има във всяка подчерупка.
Ориентацията на орбиталите обикновено се идентифицира с помощта на декартовите координатни оси, x, y и z , и това зависи от вида на въпросната орбитала.
S-орбиталите са сферични, така че нямат предпочитана ориентация, така че няма нужда да се указва тяхната стойност на ml ( което е 0). В случай на p орбитали, посоките x, y и z често се приписват съответно на числата -1, 0 и +1.
Ето защо има една s-орбитала, три p-орбитали, 5 d-орбитали и така нататък за всяко енергийно ниво (стига n да е достатъчно голямо).
n, l и l определят орбитала
От горното следва, че за да се дефинира атомна орбитала, е необходимо само да се посочи определена комбинация от първите три квантови числа. Следващата таблица показва някои примери за атомни орбитали на водородния атом със съответните им квантови числа.
| не | той | m l | Орбитален |
| 1 | 0 | 0 | 1s |
| 2 | 0 | 0 | 2s |
| 2 | 1 | -1 | 2p x |
| 2 | 1 | 0 | 2p и |
| 2 | 1 | +1 | 2p z |
| 3 | 0 | 0 | 3s |
| 3 | 1 | -1 | 3p x |
| 3 | 1 | 0 | 3p x |
| 3 | 1 | +1 | 3p x |
| 3 | 2 | -2 | 3d xy |
| 3 | 2 | -1 | 3d xz |
| 3 | 2 | 0 | 3d и z |
| 3 | 2 | +1 | 3d x2-y2 |
| 3 | 2 | +2 | 3d z2 |
Спиново квантово число на електрона (m s )
И накрая, имаме квантовото число на спина на електрона. Това квантово число показва посоката, в която се върти всеки електрон (завъртане означава завъртане на английски).
Електронното въртене може да има само стойности от +1/2 или -1/2.
Въртенето на електрона го кара да генерира магнитно поле, което може да сочи само в една от двете противоположни посоки. Поради тази причина завъртането често се представя със стрелки, сочещи нагоре или надолу, в зависимост от това дали завъртането е +1/2 или -1/2.
Фактът, че електронът може да има само 2 спинови стойности и фактът, че два електрона в един и същ атом не могат да имат еднакви четири квантови числа (това, което се нарича принцип на изключване на Паули), означава, че във всяка орбитала може да има максимум от два електрона с противоположни спинове, за които се казва, че са сдвоени.
Препратки
Аткинс, Питър и Хулио де Паула . (2014 г.). Физикохимия на Аткинс. (Рев. изд.). Оксфорд, Обединено кралство: Oxford University Press.
Чанг, Р. (2008). Физическа химия (1- во издание ). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw Hill.
Epiotis, N., & Henze, D. (2003). Периодична таблица (химия). Енциклопедия на физическата наука и технология , 671–695. https://doi.org/10.1016/b0-12-227410-5/00551-2
Ернандес Е., Д., Астудильо С., Л. (2013). Познаване на квантовите числа. Химическо образование, том 24, допълнение 2, 485-488. Извлечено от https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175
Полинг, Л. (2021). Въведение в квантовата механика: с приложения в химията (първо издание). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill.
Химия.е. (nd). квантово_число. Извлечено от https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html
Urone, PP, & Hinrichs, R. (2012, 21 юни). 30.8 Квантови числа и правила – Колеж Физика | OpenStax. Изтеглено на 24 юли 2021 г. от https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules
