Tabla de Contenidos
Materia este alcătuită din particule minuscule numite atomi. Acestea, la rândul lor, sunt formate dintr-un nucleu minuscul încărcat pozitiv, care este înconjurat de un nor de electroni încărcat negativ. Numerele cuantice sunt o serie de numere întregi sau fracții simple care sunt folosite pentru a descrie, într-un mod simplu, modul în care acești electroni sunt structurați în jurul nucleului . Aceste numere cuantice ne permit să definim regiunile din spațiu în care pot fi găsiți electronii, care se numesc orbitali atomici.
Înțelegerea numerelor cuantice este primul pas către înțelegerea configurației electronice a elementelor, ceea ce ne permite să înțelegem într-un mod foarte simplu și elegant transformările materiei care sunt studiate în chimie.
Teoria cuantică și ecuația Schrödinger
Fizica care descrie mișcarea proiectilelor și a planetelor încetează să funcționeze bine atunci când lucrurile sunt infinit de mici. Teoria care descrie cel mai bine materia la nivel atomic este teoria cuantică. Așa cum legile lui Newton formează baza fizicii clasice, una dintre bazele fundamentale ale teoriei cuantice este ecuația Schrödinger, din care provin numerele cuantice și orbitalii atomici.
Ecuația Schrödinger este o ecuație diferențială care descrie comportamentul electronilor ca unde. În versiunea sa cea mai simplă, este scris astfel:
Ψ este funcția de undă, care descrie matematic atomul.
Funcția de undă și orbitalii atomici
Orbitalii atomici provin din ecuația Schrödinger sau, mai precis, din funcția de undă. Multă vreme s-a discutat despre ce înseamnă funcția de undă, până s-a descoperit că pătratul ei, adică Ψ 2 , determină probabilitatea de a găsi un electron într-un anumit loc din spațiu.
Acest lucru a permis fizicienilor și chimiștilor cuantici să definească regiunile din jurul nucleului unde electronii sunt cel mai probabil să se găsească, de unde și conceptul modern de orbital atomic. De fapt, un orbital atomic este definit în chimie și mecanică cuantică drept regiunea spațiului în care există o probabilitate de 90% de a găsi un electron .
numere cuantice
Ecuația Schrödinger nu este o ecuație care are o singură soluție. De fapt, există infinit de soluții la această ecuație și toate sunt definite de numere cuantice. Formal, numerele cuantice apar din diferitele funcții de undă obținute prin rezolvarea ecuației Schrödinger pentru atomul de hidrogen. Fiecare combinație a acestor numere are ca rezultat o funcție de undă diferită și, prin urmare, dă naștere unui orbital atomic diferit.
Care sunt numerele cuantice și cât valorează ele?
Există trei numere cuantice care definesc un orbital atomic și unul suplimentar care identifică un anumit electron găsit în acel orbital. Aceste numere sunt:
- Numărul cuantic principal sau nivelul de energie (n)
- Număr cuantic secundar sau moment unghiular ( l )
- Număr cuantic magnetic (m l )
- Numărul cuantic de spin al electronului (m s )
Numărul cuantic principal sau nivelul de energie (n)
Numărul cuantic principal determină, în atomul de hidrogen, nivelul energetic al unui orbital. Apare și în modelul atomic al lui Bohr și este legat de distanța medie a electronilor de la nucleu. La atomii cu mai mult de un electron, nivelul de energie real al fiecărui orbital depinde și de prezența electronilor în ceilalți orbitali.
Acest număr cuantic poate lua doar numerele naturale ca valori: 1, 2, 3,…
Setul de orbitali care alcătuiesc fiecare nivel de energie principal se numește înveliș și este asociat cu o literă majusculă a alfabetului, începând cu K.
Numărul cuantic principal (n) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6… |
Strat | k | L | m | Nu. | FIE | P… |
Număr cuantic secundar sau moment unghiular ( l )
Momentul unghiular determină forma unui orbital. În fiecare înveliș sau nivel de energie principal, pot exista mai multe tipuri diferite de orbitali distinși prin valoarea momentului lor unghiular, pentru fiecare dintre care se obține o formă caracteristică.
Valorile posibile ale momentului unghiular depind de numărul cuantic principal. De fapt, momentul unghiular, l , poate lua ca valoare doar acele numere întregi care merg de la zero (0) la n – 1 .
Aceasta înseamnă că la nivelul n=1, l poate lua doar valoarea n-1=0. La nivelul n=2, l poate lua 0 și 1 ca valori și așa mai departe.
Numărul momentului unghiular se mai numește și subînveliș de energie, iar setul de orbitali din fiecare subînveliș este numit și subînveliș. Fiecare subnivel este, de asemenea, asociat cu o literă mică care este legată de forma funcției de undă. Următorul tabel arată această relație:
Numărul cuantic al momentului unghiular ( l ) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4… |
Strat | da | p | d | F | g… |
Număr cuantic magnetic (m l )
Momentul magnetic ml este legat de orientarea în spațiu a fiecărui orbital.
Acest număr cuantic poate lua ca valoare numai acele numere întregi care sunt între –l și +l , inclusiv zero.
De exemplu, dacă l =2 (subnivel d), m l poate lua valorile -2, -1, 0, +1 și +2.
Fiecare valoare a momentului magnetic din fiecare subshell identifică un anumit orbital. S-ar putea spune, deci, că numărul de numere cuantice magnetice posibile indică câți orbiti există în fiecare subîncărcare.
Orientarea orbitalilor este de obicei identificată prin intermediul axelor de coordonate carteziene, x, y și z , iar aceasta depinde de tipul de orbital în cauză.
Orbitalii s sunt sferici, deci nu au nicio orientare preferată, deci nu este nevoie să specificați valoarea lor de ml ( care este 0). În cazul orbitalilor p, direcțiile x, y și z sunt adesea atribuite numerelor -1, 0 și, respectiv, +1.
Acesta este motivul pentru care există un singur orbital s, trei orbitali p, 5 orbitali d și așa mai departe, pentru fiecare nivel de energie (atâta timp cât n este suficient de mare).
n, l și l definesc un orbital
Din cele de mai sus rezultă că, pentru a defini un orbital atomic, este necesară doar specificarea unei anumite combinații a primelor trei numere cuantice. Următorul tabel prezintă câteva exemple de orbitali atomici ai atomului de hidrogen cu numerele lor cuantice respective.
Nu | el | m l | Orbitală |
1 | 0 | 0 | 1s |
2 | 0 | 0 | 2s |
2 | 1 | -1 | 2p x |
2 | 1 | 0 | 2p și |
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 și z |
3 | 2 | +1 | 3d x2-y2 |
3 | 2 | +2 | 3d z2 |
Numărul cuantic de spin al electronului (m s )
În cele din urmă, avem numărul cuantic de spin al electronului. Acest număr cuantic indică direcția în care fiecare electron se învârte (spin înseamnă turn în engleză).
Spinul electronilor poate avea doar valori de +1/2 sau -1/2.
Spinul unui electron îl determină să genereze un câmp magnetic, iar acesta poate indica doar una dintre cele două direcții opuse. Din acest motiv, spin-ul este adesea reprezentat de săgeți îndreptate în sus sau în jos, în funcție de faptul că spin-ul este +1/2 sau -1/2.
Faptul că electronul poate avea doar 2 valori de spin și faptul că doi electroni din același atom nu pot avea aceleași patru numere cuantice (ceea ce se numește principiul excluderii Pauli) înseamnă că numai în fiecare orbital poate exista un maxim. a doi electroni cu spini opuși, despre care se spune că sunt perechi.
Referințe
Atkins, Peter și Julio de Paula . (2014). Chimia fizică a lui Atkins. (Ed. Apoc.). Oxford, Regatul Unit: Oxford University Press.
Chang, R. (2008). Chimie fizică ( ed . I). New York City, New York: McGraw Hill.
Epiotis, N. și Henze, D. (2003). Tabel periodic (Chimie). Enciclopedia științei fizice și tehnologiei , 671–695. https://doi.org/10.1016/b0-12-227410-5/00551-2
Hernandez E., D., Astudillo S., L. (2013). Cunoașterea numerelor cuantice. Chemical Education, Volumul 24, Suplimentul 2, 485-488. Preluat de la https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175
Pauling, L. (2021). Introducere în mecanica cuantică: cu aplicații în chimie (prima ediție). New York City, New York: McGraw-Hill.
Chimie.este. (nd). număr_cuantic. Preluat de pe https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html
Urone, PP și Hinrichs, R. (2012, iunie 21). 30.8 Numerele cuantice și regulile – Fizica colegiului | OpenStax. Preluat la 24 iulie 2021, de la https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules