Ismerje meg a kvantumszámok és az atompályák fogalmát

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

Az anyag apró részecskékből, úgynevezett atomokból áll. Ezek viszont egy apró, pozitív töltésű magból állnak, amelyet negatív töltésű elektronfelhő vesz körül. A kvantumszámok egész számok vagy egyszerű törtek sorozata, amelyeket arra használnak, hogy egyszerű módon leírják az elektronok atommag körüli szerkezetét . Ezek a kvantumszámok lehetővé teszik, hogy meghatározzuk a tér azon régióit, amelyekben elektronok találhatók, ezeket atompályáknak nevezzük.

A kvantumszámok megértése az első lépés az elemek elektronikus konfigurációjának megértése felé, amely lehetővé teszi számunkra, hogy nagyon egyszerű és elegáns módon megértsük az anyag kémiában vizsgált átalakulását.

A kvantumelmélet és a Schrödinger-egyenlet

A lövedékek és bolygók mozgását leíró fizika nem működik jól, ha a dolgok végtelenül kicsik. Az az elmélet, amely a legjobban leírja az anyagot atomi szinten, a kvantumelmélet. Ahogyan Newton törvényei a klasszikus fizika alapját képezik, a kvantumelmélet egyik alapvető alapja a Schrödinger-egyenlet, amelyből kvantumszámok és atompályák keletkeznek.

A Schrödinger-egyenlet egy differenciálegyenlet, amely az elektronok hullámként való viselkedését írja le. A legegyszerűbb változatban így írják:

A Schrödinger-egyenlet, ahol a hullámfüggvény ott jelenik meg, ahol az összes kvantumszám származik

Ψ a hullámfüggvény, amely matematikailag írja le az atomot.

A hullámfüggvény és az atompályák

Az atomi pályák a Schrödinger-egyenletből, pontosabban a hullámfüggvényből származnak. Sokáig folyt a vita arról, hogy mit is jelent a hullámfüggvény, mígnem kiderült, hogy négyzete, azaz Ψ 2 határozza meg annak valószínűségét, hogy a térben egy bizonyos helyen elektront találjunk.

Ez lehetővé tette a kvantumfizikusok és kémikusok számára, hogy meghatározzák az atommag körül azokat a régiókat, ahol a legnagyobb valószínűséggel találhatók elektronok, innen ered az atompálya modern koncepciója. Valójában az atompályát a kémia és a kvantummechanika úgy definiálja, mint a tér azon tartományát, amelyben 90%-os valószínűséggel találunk elektront .

kvantumszámok

A Schrödinger-egyenlet nem olyan egyenlet, amelynek csak egy megoldása van. Valójában ennek az egyenletnek végtelen sok megoldása van, és mindegyiket kvantumszámok határozzák meg. Formálisan a kvantumszámok a hidrogénatom Schrödinger-egyenletének megoldásával kapott különböző hullámfüggvényekből származnak. Ezeknek a számoknak minden kombinációja más-más hullámfüggvényt eredményez, és ezért más atomi pályát eredményez.

a hidrogénatom atomi pályáit meghatározó hullámfüggvények.

Mik a kvantumszámok és mennyit érnek?

Három kvantumszám határozza meg az atomi pályát, és egy további, amely az adott pályán található elektront azonosítja. Ezek a számok:

  • Főkvantumszám vagy energiaszint (n)
  • Másodlagos kvantumszám vagy szögimpulzus ( l )
  • Mágneses kvantumszám (m l )
  • Az elektron spinkvantumszáma (m s )

Főkvantumszám vagy energiaszint (n)

A főkvantumszám határozza meg a hidrogénatomban egy pálya energiaszintjét. A Bohr-féle atommodellben is megjelenik, és az elektronok atommagtól való átlagos távolságával függ össze. Az egynél több elektront tartalmazó atomokban az egyes pályák tényleges energiaszintje a többi pályán lévő elektronok jelenlététől is függ.

Ez a kvantumszám csak a természetes számokat veheti fel értéknek: 1, 2, 3,…

Az egyes fő energiaszinteket alkotó pályák halmazát héjnak nevezzük, és az ábécé K betűvel kezdődő nagybetűjéhez kapcsolódik.

Főkvantumszám (n) 1 2 3 4 5 6…
Réteg k L m Nem. BÁRMELYIK P…

Másodlagos kvantumszám vagy szögimpulzus ( l )

A szögimpulzus határozza meg a pálya alakját. Minden héjon vagy fő energiaszinten belül több különböző típusú pálya lehet, amelyeket a szögimpulzusuk értéke különböztet meg, és mindegyikre jellemző alakot kapunk.

A szögimpulzus lehetséges értékei a főkvantumszámtól függenek. Valójában az l szögimpulzus csak azokat az egész számokat veheti fel értéknek, amelyek nullától (0) n – 1- ig mennek .

Ez azt jelenti, hogy n=1 szinten l csak n-1=0 értéket vehet fel. n=2 szinten l 0-t és 1-et vehet fel értékként, és így tovább.

A szögimpulzusszámot energia-alhéjnak is nevezik, az egyes részhéjakon belüli pályák halmazát pedig alhéjnak is nevezik. Minden alszinthez egy kisbetű is tartozik, amely a hullámfüggvény alakjához kapcsolódik. Az alábbi táblázat mutatja ezt a kapcsolatot:

Szögimpulzus kvantumszám ( l ) 0 1 2 3 4…
Réteg Igen p d F g…

Mágneses kvantumszám (m l )

Az ml mágneses momentum az egyes pályák térbeli orientációjához kapcsolódik .

Ez a kvantumszám csak azokat az egész számokat veheti fel értéknek, amelyek –l és +l között vannak , beleértve a nullát is.

Például, ha l =2 (d alszint), m l -2, -1, 0, +1 és +2 értékeket vehet fel.

Az egyes alhéjakon belüli mágneses momentum minden értéke egy adott pályát azonosít. Azt mondhatnánk tehát, hogy a lehetséges mágneses kvantumszámok száma azt jelzi, hogy hány pálya van az egyes alhéjakon belül.

A pályák tájolását általában a derékszögű x, y és z koordinátatengelyek segítségével határozzák meg , és ez a kérdéses pálya típusától függ.

Az s pályák gömb alakúak, így nincs preferált tájolásuk, így nem kell megadni ml értéküket ( ami 0). A p pályák esetében az x, y és z irányokat gyakran a -1, 0, illetve +1 számokhoz rendelik.

Ezért van minden energiaszinthez egyetlen s pálya, három p pálya, 5 d pálya és így tovább (amíg n elég nagy).

n, l és l egy pályát határoznak meg

A fentiekből az következik, hogy egy atomi pálya meghatározásához csak az első három kvantumszám egy adott kombinációját kell megadni. A következő táblázat néhány példát mutat be a hidrogénatom atompályáira a megfelelő kvantumszámokkal.

nem ő m l Orbitális
1 0 0 1s
2 0 0 2s
2 1 -1 2p x
2 1 0 2p és
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 és z
3 2 +1 3d x2-y2
3 2 +2 3d z2

Az elektron spinkvantumszáma (m s )

Végül megvan az elektron spin kvantumszáma. Ez a kvantumszám jelzi az egyes elektronok forgási irányát (a spin angolul fordulatot jelent).

Az elektronpörgés értéke csak +1/2 vagy -1/2 lehet.

Az elektron spinje mágneses teret hoz létre, és ez csak a két ellentétes irány egyikébe mutathat. Emiatt a pörgést gyakran felfelé vagy lefelé mutató nyilak jelölik, attól függően, hogy a pörgés +1/2 vagy -1/2.

Az a tény, hogy az elektronnak csak 2 spinértéke lehet, és az a tény, hogy ugyanabban az atomban két elektronnak nem lehet ugyanaz a négy kvantumszáma (ezt Pauli-kizárási elvnek nevezik), azt jelenti, hogy minden pályán csak egy maximum lehet. két ellentétes spinű elektronból, amelyekről azt mondják, hogy párosak.

Hivatkozások

Atkins, Peter és Julio de Paula . (2014). Atkins fizikai kémiája. (Rev. szerk.). Oxford, Egyesült Királyság: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Fizikai kémia (1. kiadás ). New York City, New York: McGraw Hill.

Epiotis, N. és Henze, D. (2003). Periódusos rendszer (kémia). 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). A kvantumszámok ismerete. Kémiai oktatás, 24. kötet, 2. melléklet, 485-488. Letöltve: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175

Pauling, L. (2021). Bevezetés a kvantummechanikába: Alkalmazásokkal a kémiába (első kiadás). New York City, New York: McGraw-Hill.

Kémia.is. (nd). kvantum_szám. Letöltve: https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html

Urone, PP és Hinrichs, R. (2012, június 21). 30.8 Kvantumszámok és szabályok – Főiskolai fizika | OpenStax. Letöltve: 2021. július 24. innen: https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules

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

Artículos relacionados