Lær begrepet kvantetall og atomorbitaler

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


Materie består av bittesmå partikler kalt atomer. Disse er igjen bygd opp av en liten positivt ladet kjerne, som er omgitt av en negativt ladet sky av elektroner. Kvantetall er en serie med hele tall eller enkle brøker som brukes til å beskrive, på en enkel måte, måten disse elektronene er strukturert rundt kjernen . Disse kvantetallene lar oss definere områdene i rommet der elektroner kan finnes, som kalles atomorbitaler.

Å forstå kvantetall er det første skrittet mot å forstå den elektroniske konfigurasjonen av elementene, som lar oss forstå på en veldig enkel og elegant måte transformasjonene av materie som studeres i kjemi.

Kvanteteori og Schrödinger-ligningen

Fysikken som beskriver bevegelsen til prosjektiler og planeter slutter å fungere bra når ting er uendelig små. Teorien som best beskriver materie på atomnivå er kvanteteori. Akkurat som Newtons lover danner grunnlaget for klassisk fysikk, er en av de grunnleggende grunnlagene for kvanteteorien Schrödinger-ligningen, hvorfra kvantetall og atomorbitaler oppstår.

Schrödingerligningen er en differensialligning som beskriver elektronenes oppførsel som bølger. I sin enkleste versjon er det skrevet slik:

Schrödinger-ligningen hvor bølgefunksjonen vises der alle kvantetallene kommer fra

Ψ er bølgefunksjonen, som matematisk beskriver atomet.

Bølgefunksjonen og atomorbitaler

Atomorbitaler oppstår fra Schrödinger-ligningen eller, mer presist, fra bølgefunksjonen. I lang tid var det diskusjon om hva bølgefunksjonen betydde, helt til det ble oppdaget at kvadratet, det vil si Ψ 2 , bestemmer sannsynligheten for å finne et elektron på et bestemt sted i rommet.

Dette gjorde det mulig for kvantefysikere og kjemikere å definere områdene rundt kjernen der det er mest sannsynlig at elektroner finnes, derav det moderne konseptet med en atomorbital. Faktisk er en atomorbital definert i kjemi og kvantemekanikk som området i rommet der det er 90% sannsynlighet for å finne et elektron .

kvantetall

Schrödinger-ligningen er ikke en ligning som bare har én løsning. Faktisk er det uendelig mange løsninger på denne ligningen, og alle er definert av kvantetall. Formelt sett oppstår kvantetallene fra de forskjellige bølgefunksjonene som oppnås ved å løse Schrödinger-ligningen for hydrogenatomet. Hver kombinasjon av disse tallene resulterer i en annen bølgefunksjon, og gir derfor opphav til en annen atomorbital.

bølgefunksjonene som definerer atomorbitalene til hydrogenatomet.

Hva er kvantetallene og hvor mye er de verdt?

Det er tre kvantetall som definerer en atomorbital, og en ekstra som identifiserer et bestemt elektron som finnes i den orbitalen. Disse tallene er:

  • Hovedkvantenummer eller energinivå (n)
  • Sekundært kvantenummer eller vinkelmomentum ( l )
  • Magnetisk kvantenummer ( ml )
  • Spinn kvantenummeret til elektronet (m s )

Hovedkvantenummer eller energinivå (n)

Hovedkvantetallet bestemmer, i hydrogenatomet, energinivået til en orbital. Det vises også i Bohrs atommodell og er relatert til den gjennomsnittlige avstanden til elektroner fra kjernen. I atomer med mer enn ett elektron avhenger det faktiske energinivået til hver orbital også av tilstedeværelsen av elektroner i de andre orbitalene.

Dette kvantetallet kan bare ta de naturlige tallene som verdier: 1, 2, 3,…

Settet med orbitaler som utgjør hvert hovedenerginivå kalles et skall, og det er assosiert med en stor bokstav i alfabetet, som starter med K.

Hovedkvantenummer (n) 1 2 3 4 5 6…
Lag k L m Nei. ENTEN P…

Sekundært kvantenummer eller vinkelmomentum ( l )

Vinkelmoment bestemmer formen til en orbital. Innenfor hvert skall eller hovedenerginivå kan det være flere forskjellige typer orbitaler kjennetegnet ved verdien av deres vinkelmomentum, for hver av dem oppnås en karakteristisk form.

De mulige verdiene for vinkelmoment avhenger av hovedkvantetallet. Faktisk kan vinkelmomentet, l , bare ta som en verdi de heltallene som går fra null (0) til n – 1 .

Dette betyr at på nivå n=1 kan l bare ta verdien av n-1=0. På nivå n=2 kan l ta 0 og 1 som verdier, og så videre.

Vinkelmomentnummeret kalles også energiunderskallet, og settet med orbitaler i hvert underskall kalles også underskallet. Hvert undernivå er også assosiert med en liten bokstav som er relatert til bølgefunksjonsformen. Følgende tabell viser dette forholdet:

Vinkelmomentum kvantenummer ( l ) 0 1 2 3 4…
Lag ja s d F g…

Magnetisk kvantenummer ( ml )

Det magnetiske momentet ml er relatert til orienteringen i rommet til hver orbital.

Dette kvantetallet kan bare ta de heltallene som er mellom –l og +l som en verdi , inkludert null.

For eksempel, hvis l =2 (undernivå d), kan m l ta verdiene -2, -1, 0, +1 og +2.

Hver verdi av det magnetiske momentet i hvert underskall identifiserer en bestemt orbital. Det kan da sies at antallet mulige magnetiske kvantetall indikerer hvor mange orbitaler det er innenfor hvert underskall.

Orbitalenes orientering identifiseres vanligvis ved hjelp av de kartesiske koordinataksene, x, y og z , og dette avhenger av hvilken type orbital det er snakk om.

S-orbitalene er sfæriske, så de har ingen foretrukket orientering, så det er ikke nødvendig å spesifisere verdien på ml ( som er 0). Når det gjelder p-orbitaler, er x-, y- og z -retningene ofte tildelt tallene henholdsvis -1, 0 og +1.

Dette er grunnen til at det er en enkelt s-orbitaler, tre p-orbitaler, 5 d-orbitaler, og så videre, for hvert energinivå (så lenge n er stor nok).

n, l og l definerer en orbital

Av ovenstående følger det at for å definere en atomorbital, er det bare nødvendig å spesifisere en bestemt kombinasjon av de tre første kvantetallene. Følgende tabell viser noen eksempler på atomorbitalene til hydrogenatomet med deres respektive kvantenummer.

Nei han m l Orbital
1 0 0 1s
2 0 0 2s
2 1 -1 2p x
2 1 0 2p og
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 og z
3 2 +1 3d x2-y2
3 2 +2 3d z2

Spinn kvantenummeret til elektronet (m s )

Til slutt har vi elektronspinn-kvantetallet. Dette kvantetallet angir retningen hvert elektron spinner i (spinn betyr sving på engelsk).

Elektronspinn kan bare ha verdier på +1/2 eller -1/2.

Spinnet til et elektron får det til å generere et magnetfelt, og dette kan bare peke i en av to motsatte retninger. Av denne grunn er spinn ofte representert med piler som peker opp eller ned, avhengig av om spinnet er +1/2 eller -1/2.

Det faktum at elektronet bare kan ha 2 spinnverdier og det faktum at to elektroner i samme atom ikke kan ha de samme fire kvantetallene (det som kalles Pauli eksklusjonsprinsippet) betyr at det kun i hver orbital kan være et maksimum av to elektroner med motsatte spinn, som sies å være paret.

Referanser

Atkins, Peter og Julio de Paula . (2014). Atkins’ fysisk kjemi. (Rev. red.). Oxford, Storbritannia: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Fysisk kjemi (1. utg .). New York City, New York: McGraw Hill.

Epiotis, N., & Henze, D. (2003). Periodisk system (kjemi). 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). Å kjenne kvantetallene. Kjemisk utdanning, bind 24, tillegg 2, 485-488. Hentet fra https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175

Pauling, L. (2021). Introduksjon til kvantemekanikk: med applikasjoner til kjemi (første utgave). New York City, New York: McGraw-Hill.

Chemistry.is. (nd). kvantenummer. Hentet fra https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html

Urone, PP, & Hinrichs, R. (2012, 21. juni). 30.8 Kvantetall og regler – Høyskolefysikk | OpenStax. Hentet 24. juli 2021 fra https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules

-Annonse-

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

Artículos relacionados

Flammefargetesten