Κβαντικοί αριθμοί: S, P, D και F τροχιακά και γωνιακή ορμή

Τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα, που αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια, και ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα . Οι τροχιές που περιγράφουν τα ηλεκτρόνια, οι θέσεις στο χώρο του ατόμου μέσω του οποίου κινούνται, αποτελούν θεμελιώδη πτυχή στις χημικές αντιδράσεις και στις ατομικές και μοριακές δομές που αποτελούν. Οι θέσεις στο χώρο των ατόμων όπου ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια είναι τα τροχιακά . Το απλούστερο τροχιακό είναι αυτό του μοναδικού ηλεκτρονίου που έχει το άτομο του υδρογόνου, το οποίο είναι σφαιρικό. Καθώς όμως τα στοιχεία έχουν μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων, τα τροχιακά μέσα από τα οποία κινούνται γίνονται όλο και πιο πολύπλοκα, μέχρι να φτάσουν στην περίπτωση του ουρανίου, που έχει 92 ηλεκτρόνια και που είναι το φυσικό στοιχείο με τον μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων.

Κβαντομηχανική και ηλεκτρόνια σε άτομα

Το σχήμα των τροχιακών καθώς και άλλες ιδιότητες των ηλεκτρονίων των ατόμων περιγράφονται από την κβαντομηχανική, η οποία καθιερώνει ότι οι φυσικές παράμετροι όπως η ενέργεια και η θέση έχουν καθορισμένες τιμές. δεν είναι συνεχείς παράμετροι όπως στην κλασική μηχανική, όπου μπορούν να έχουν οποιαδήποτε τιμή. Επομένως, η ενέργεια των ηλεκτρονίων, όπως και οι θέσεις από τις οποίες διέρχονται στο χώρο των ατόμων, μπορούν να έχουν μόνο καθορισμένες τιμές.

Η ενέργεια και η θέση ενός ηλεκτρονίου που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου περιγράφεται από μια μαθηματική συνάρτηση που ονομάζεται κυματική συνάρτηση , η οποία είναι μια λύση της εξίσωσης Schrödinger . Αυτή η συνάρτηση αντιπροσωπεύει την πιθανότητα ότι το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση σε μια συγκεκριμένη στιγμή. Και τώρα μιλάμε για πιθανότητα γιατί η κβαντομηχανική επίσης αποδεικνύει ότι δεν είναι δυνατός ο προσδιορισμός ακριβώς δύο φυσικών παραμέτρων ενός σωματιδίου όπως το ηλεκτρόνιο , όπως η ενέργεια και ο χρόνος ή η θέση και η ορμή (ποσότητα κίνησης: το γινόμενο της μάζας του φορές την ταχύτητά του) του σωματιδίου.

κβαντικούς αριθμούς

Η συνάρτηση που αντιπροσωπεύει την πιθανότητα ότι το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση σε μια συγκεκριμένη στιγμή είναι το γινόμενο τεσσάρων συναρτήσεων: τρεις που σχετίζονται με τη θέση του ηλεκτρονίου (η μία εξαρτάται από την απόσταση από τον πυρήνα του ατόμου και οι άλλες δύο εξαρτάται από τις γωνιακές συντεταγμένες του) και το υπόλοιπο σχετίζεται με την περιστροφή του ηλεκτρονίου. Αυτές οι συναρτήσεις περιλαμβάνουν αυτούς που ονομάζονται κβαντικοί αριθμοί , οι οποίοι είναι τέσσερις:

• Ο κύριος κβαντικός αριθμός n , που σχετίζεται με την ενέργεια του ηλεκτρονίου και έχει θετικές ακέραιες τιμές.
• Ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός l , που σχετίζεται με τη γωνιακή ορμή του ηλεκτρονίου (γωνιακή ορμή: το γινόμενο της μάζας του επί την ταχύτητα περιστροφής του) που εκφράζεται με γράμματα. s για l =0; p για l =1, d για l =2, f για l =3. Η ονοματολογία του αριθμού l με γράμματα προέρχεται από τη μελέτη των φασμάτων των αλκαλιμετάλλων, στην οποία οι φασματικές γραμμές ομαδοποιήθηκαν, με το όνομά τους στα αγγλικά, σε αιχμηρές ( καλά καθορισμένες, s ), κύριες (κύρια,p ), διάχυτος (διαχέει, δ ) και θεμελιώδης (θεμελιώδεις, f ).
• Ο τρίτος είναι ο κβαντικός αριθμός είναι το μαγνητικό m ή ml _{που σχετίζεται} με τον προσανατολισμό της γωνιακής ορμής του ηλεκτρονίου . Η παραλλαγή αυτού του κβαντικού αριθμού παράγει, για παράδειγμα, τις πέντε λοβώδεις κατανομές στοιχείων που έχουν τροχιακά 3 d που φαίνονται στο σχήμα. Αυτή η κατανομή ηλεκτρονίων είναι πολύ σημαντική, καθώς αντιστοιχεί σε στοιχεία που συνθέτουν διάφορα υλικά που υπάρχουν στην καθημερινή μας ζωή, τα μέταλλα μετάπτωσης χρώμιο, κοβάλτιο, χαλκός, σίδηρος, νικέλιο, μαγγάνιο, σκάνδιο, τιτάνιο και βανάδιο. Στην περίπτωση των επιπέδων s , ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός m _lεπιτρέπει μόνο σφαιρικά τροχιακά (δείτε το σχήμα). στα επίπεδα p επιτρέπει τρεις μορφές τροχιακών και στο f επιτρέπει 7 μορφές τροχιακών.

Ο τέταρτος κβαντικός αριθμός είναι m _s , το σπιν του ηλεκτρονίου, που σχετίζεται με την περιστροφή του.

Η ηλεκτρονική δομή των ατόμων

Η δομή των ηλεκτρονίων κάθε στοιχείου συγκροτείται ακολουθώντας την πρόοδο των κβαντικών αριθμών, ανάλογα με τις συνθήκες που συνεπάγεται ο καθένας. Η εξέλιξη είναι η εξής (ο ακέραιος είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός n και το γράμμα είναι ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός l ):

1 s , 2 s , 2 p , 3 s , 3 p , 4 s , 3 d , 4 p , 5 s , 4 d , 5 p , 6 s , 4 f , 5 d , 6 P , 7 s , 5 f

Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι κάθε τροχιακό μπορεί να περιέχει έως και δύο ηλεκτρόνια με αντίθετο σπιν , άρα τα επίπεδα s μπορούν να έχουν έως και 2 ηλεκτρόνια. Τα επίπεδα p , τα οποία έχουν 3 τροχιακά _{που επιτρέπονται} από τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό ml , μπορούν να έχουν έως και 6 ηλεκτρόνια. Τα κελύφη d , τα οποία έχουν 5 επιτρεπόμενα τροχιακά (δείτε το σχήμα), μπορούν να χωρέσουν έως και 10 ηλεκτρόνια και τα κελύφη f , που έχουν 7 επιτρεπόμενα τροχιακά, μπορούν να χωρέσουν έως και 14 ηλεκτρόνια.

Ακολουθώντας αυτό το κριτήριο, το υδρογόνο (Η), το οποίο έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο, θα έχει δομή 1 s ¹ , όπου ο εκθέτης 1 δείχνει ότι υπάρχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο στο τροχιακό 1 s . Το ήλιο (He), με δύο ηλεκτρόνια, θα έχει δομή 1 s ² (δύο ηλεκτρόνια στο τροχιακό s ). Το λίθιο (Li), με τρία ηλεκτρόνια, θα έχει ηλεκτρονική δομή 1 s ² 2 s ¹ . Και ούτω καθεξής. Ο σίδηρος (Fe), για παράδειγμα, που έχει 26 ηλεκτρόνια, θα έχει ηλεκτρονική δομή 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p⁶ 3 d ⁶ 4 s ² ; καθένα από τα 26 ηλεκτρόνια του σιδήρου διέρχεται μέσω των τροχιακών που καθορίζονται από αυτή την ηλεκτρονική δομή.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ

Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι παρόλο που η λέξη τροχιακό υποδηλώνει την έννοια της “τροχίας”, τα ηλεκτρόνια στην πραγματικότητα, και παρά τα αρχικά ατομικά μοντέλα, δεν κινούνται γύρω από τον πυρήνα πραγματοποιώντας τροχιές, αλλά μάλλον “διέρχονται” από το ένα τροχιακό στο άλλο. , όταν το άτομο έχει περισσότερα από ένα, είτε παραμένουν στο μοναδικό τροχιακό του ατόμου (στην περίπτωση του υδρογόνου και του ηλίου), είτε πηγαίνουν σε ένα τροχιακό που μοιράζονται τα άτομα που σχηματίζουν έναν ομοιοπολικό χημικό δεσμό.

Πηγές

E. Pavarini, E. Koch, F. Anders, and M. Jarrell. Θεωρία Κρυσταλλικού Πεδίου, Μέθοδος Σφιχτής Δέσμευσης και Φαινόμενο Jahn-Teller. Συσχετισμένα Ηλεκτρόνια: Από Μοντέλα σε Μοντελοποίηση και Προσομοίωση Υλικών Τόμος 2. Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 978-3-89336-796-2.

JJ Murrell, SFA Kettle, JM Tedder. Ο χημικός δεσμός. Δεύτερη έκδοση. John Wiley & Sons. 1985.

Roger G. Burns. Ορυκτολογικές Εφαρμογές της Θεωρίας Πεδίων Κρυστάλλων. Δεύτερη έκδοση. Cambridge University Press. 1993.

Μάρτιν Γκονζάλες Σότο. Τι είναι οι κβαντικοί αριθμοί, NANOVA https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi22f7M3IT2AhWEjaQKHTpjDiAQFnoECEwQAsrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi22f7M3IT2AhWEjaQKHTpjDiAQFnoECEwQAs%FOV. are-the-quantum-numbers%2F&usg=AOvVaw3UoxJOhbgXxBBSGz6R6zxr