Opi kvanttilukujen ja atomikiertoradan käsite

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Aine koostuu pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi. Nämä puolestaan ​​koostuvat pienestä positiivisesti varautuneesta ytimestä, jota ympäröi negatiivisesti varautunut elektronipilvi. Kvanttiluvut ovat sarja kokonaislukuja tai yksinkertaisia ​​murto-osia, joita käytetään kuvaamaan yksinkertaisella tavalla tapaa, jolla nämä elektronit rakentuvat ytimen ympärille . Nämä kvanttiluvut antavat meille mahdollisuuden määritellä avaruuden alueet, joista elektroneja voidaan löytää, joita kutsutaan atomiorbitaaleiksi.

Kvanttilukujen ymmärtäminen on ensimmäinen askel kohti elementtien elektronisen konfiguraation ymmärtämistä, jonka avulla voimme ymmärtää hyvin yksinkertaisella ja tyylikkäällä tavalla kemiassa tutkittavia aineen muunnoksia.

Kvanttiteoria ja Schrödingerin yhtälö

Ammusten ja planeettojen liikettä kuvaava fysiikka lakkaa toimimasta hyvin, kun asiat ovat äärettömän pieniä. Teoria, joka parhaiten kuvaa ainetta atomitasolla, on kvanttiteoria. Aivan kuten Newtonin lait muodostavat klassisen fysiikan perustan, yksi kvanttiteorian perusperusteista on Schrödingerin yhtälö, josta kvanttiluvut ja atomiradat syntyvät.

Schrödingerin yhtälö on differentiaaliyhtälö, joka kuvaa elektronien käyttäytymistä aaltoina. Yksinkertaisimmassa versiossaan se kirjoitetaan näin:

Schrödingerin yhtälö, jossa aaltofunktio esiintyy siellä, missä kaikki kvanttiluvut tulevat

Ψ on aaltofunktio, joka kuvaa matemaattisesti atomia.

Aaltofunktio ja atomiradat

Atomiradat syntyvät Schrödingerin yhtälöstä tai tarkemmin sanottuna aaltofunktiosta. Pitkään keskusteltiin aaltofunktion merkityksestä, kunnes havaittiin, että sen neliö, eli Ψ 2 , määrittää todennäköisyyden löytää elektroni tietystä paikasta avaruudessa.

Tämän ansiosta kvanttifysiikot ja kemistit pystyivät määrittelemään ytimen ympärillä olevat alueet, joilla elektronit todennäköisimmin löytyvät, mistä johtuu nykyaikainen atomiradan käsite. Itse asiassa atomikiertorata määritellään kemiassa ja kvanttimekaniikassa avaruuden alueeksi, jossa on 90 %:n todennäköisyys löytää elektroni .

kvanttiluvut

Schrödingerin yhtälö ei ole yhtälö, jolla on vain yksi ratkaisu. Itse asiassa tälle yhtälölle on äärettömän monta ratkaisua, ja ne kaikki määritellään kvanttiluvuilla. Muodollisesti kvanttiluvut syntyvät erilaisista aaltofunktioista, jotka on saatu ratkaisemalla vetyatomin Schrödingerin yhtälö. Jokainen näiden numeroiden yhdistelmä johtaa erilaiseen aaltofunktioon ja synnyttää siksi erilaisen atomiradan.

aaltofunktiot, jotka määrittelevät vetyatomin atomiradat.

Mitä kvanttiluvut ovat ja kuinka paljon ne ovat arvokkaita?

On olemassa kolme kvanttilukua, jotka määrittelevät atomiradan, ja yksi, joka identifioi tietyn kyseiseltä kiertoradalta löytyvän elektronin. Nämä numerot ovat:

  • Pääkvanttiluku tai energiataso (n)
  • Toissijainen kvanttiluku tai kulmaliikemäärä ( l )
  • Magneettinen kvanttiluku (m l )
  • Elektronin spinkvanttiluku (m s )

Pääkvanttiluku tai energiataso (n)

Pääkvanttiluku määrittää vetyatomissa kiertoradan energiatason. Se näkyy myös Bohrin atomimallissa ja liittyy elektronien keskimääräiseen etäisyyteen ytimestä. Atomissa, joissa on useampi kuin yksi elektroni, kunkin kiertoradan todellinen energiataso riippuu myös elektronien läsnäolosta muilla kiertoradoilla.

Tämä kvanttiluku voi ottaa arvoina vain luonnolliset luvut: 1, 2, 3,…

Jokaisen pääenergiatason muodostavaa kiertoradan joukkoa kutsutaan kuoreksi, ja se liittyy aakkosten isoon kirjaimeen, joka alkaa K:stä.

Pääkvanttiluku (n) 1 2 3 4 5 6…
Kerros k L m Ei. JOMPIKUMPI P…

Toissijainen kvanttiluku tai kulmaliikemäärä ( l )

Kulmamomentti määrää kiertoradan muodon. Kullakin kuorella tai pääenergiatasolla voi olla useita eri tyyppisiä kiertoradat, jotka erotetaan niiden kulmaliikemäärän arvosta, ja jokaiselle niistä saadaan tunnusomainen muoto.

Kulmamomentin mahdolliset arvot riippuvat pääkvanttiluvusta. Itse asiassa kulmaliikemäärä l voi ottaa arvoksi vain ne kokonaisluvut, jotka ovat nollasta (0) arvoon n – 1 .

Tämä tarkoittaa, että tasolla n=1 l voi ottaa vain arvon n-1=0. Tasolla n=2 l voi ottaa arvoiksi 0 ja 1 ja niin edelleen.

Kulmamomenttilukua kutsutaan myös energia-alikuoreksi, ja kunkin osakuoren sisällä olevaa orbitaalijoukkoa kutsutaan myös osakuoreksi. Jokainen alitaso liittyy myös pieneen kirjaimeen, joka liittyy aaltofunktion muotoon. Seuraava taulukko näyttää tämän suhteen:

Liikemäärä kulmakvanttiluku ( l ) 0 1 2 3 4…
Kerros Joo s d F g…

Magneettinen kvanttiluku (m l )

Magneettimomentti ml liittyy kunkin kiertoradan avaruuteen suuntautumiseen.

Tämä kvanttiluku voi ottaa arvona vain ne kokonaisluvut, jotka ovat välillä –l ja +l , mukaan lukien nolla.

Esimerkiksi jos l =2 (alataso d), m l voi ottaa arvot -2, -1, 0, +1 ja +2.

Jokainen magneettisen momentin arvo kussakin osakuoressa identifioi tietyn kiertoradan. Voidaan siis sanoa, että mahdollisten magneettisten kvanttilukujen määrä osoittaa, kuinka monta kiertorataa kussakin alikuoressa on.

Orbitaalien orientaatio tunnistetaan yleensä karteesisten koordinaattiakseleiden x, y ja z avulla , ja tämä riippuu kyseessä olevan kiertoradan tyypistä.

S-orbitaalit ovat pallomaisia, joten niillä ei ole toivottua suuntaa, joten niiden ml-arvoa ei tarvitse määrittää ( joka on 0). P-orbitaalien tapauksessa x-, y- ja z -suunnat on usein osoitettu numeroille -1, 0 ja +1, vastaavasti.

Tästä syystä jokaisella energiatasolla on yksi s-orbitaali, kolme p-orbitaalia, 5 d-orbitaalia ja niin edelleen (niin kauan kuin n on tarpeeksi suuri).

n, l ja l määrittelevät kiertoradan

Yllä olevasta seuraa, että atomiradan määrittelemiseksi on tarpeen määrittää vain tietty yhdistelmä kolmesta ensimmäisestä kvanttiluvusta. Seuraavassa taulukossa on joitain esimerkkejä vetyatomin atomikiertoradoista ja niiden vastaavista kvanttiluvuista.

ei hän m l Orbital
1 0 0 1s
2 0 0 2s
2 1 -1 2p x
2 1 0 2p ja
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 ja z
3 2 +1 3d x2-y2
3 2 +2 3d z2

Elektronin spinkvanttiluku (m s )

Lopuksi meillä on elektronin spin-kvanttiluku. Tämä kvanttiluku ilmaisee suunnan, johon kukin elektroni pyörii (spin tarkoittaa käännöstä englanniksi).

Elektronien spinin arvot voivat olla vain +1/2 tai -1/2.

Elektronin spin saa sen synnyttämään magneettikentän, ja tämä voi osoittaa vain toiseen kahdesta vastakkaisesta suunnasta. Tästä syystä pyöritystä edustavat usein nuolet, jotka osoittavat ylös tai alas sen mukaan, onko pyöritys +1/2 vai -1/2.

Se tosiasia, että elektronilla voi olla vain 2 spin-arvoa ja se tosiasia, että kahdella elektronilla samassa atomissa ei voi olla samaa neljää kvanttilukua (niin sanotaan Paulin poissulkemisperiaatteeksi), tarkoittaa, että vain jokaisella kiertoradalla voi olla maksimi kahdesta elektronista, joilla on vastakkaiset spinit ja joiden sanotaan olevan parillisia.

Viitteet

Atkins, Peter & Julio de Paula . (2014). Atkinsin fysikaalinen kemia. (Rev. toim.). Oxford, Iso-Britannia: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Fysikaalinen kemia (1. painos ). New York City, New York: McGraw Hill.

Epiotis, N. ja Henze, D. (2003). Jaksollinen järjestelmä (kemia). Encyclopedia of Physical Science and Technology , 671–695. https://doi.org/10.1016/b0-12-227410-5/00551-2

Hernandez E., D., Astudillo S., L. (2013). Kvanttilukujen tunteminen. Chemical Education, Volume 24, Supplement 2, 485-488. Haettu osoitteesta https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175

Pauling, L. (2021). Johdatus kvanttimekaniikkaan: kemian sovelluksilla (ensimmäinen painos). New York City, New York: McGraw-Hill.

Kemia.is. (nd). kvanttinumero. Haettu osoitteesta https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html

Urone, PP, & Hinrichs, R. (2012, 21. kesäkuuta). 30.8 Kvanttiluvut ja säännöt – College Physics | OpenStax. Haettu 24. heinäkuuta 2021 osoitteesta https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules

-Mainos-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados

Liekin väritesti