Tabla de Contenidos
Madde, atom adı verilen küçük parçacıklardan oluşur. Bunlar da, negatif yüklü bir elektron bulutu ile çevrili, pozitif yüklü küçük bir çekirdekten oluşur. Kuantum sayıları, bu elektronların çekirdek etrafında yapılanma şeklini basit bir şekilde açıklamak için kullanılan bir dizi tam sayı veya basit kesirdir . Bu kuantum sayıları, uzayda elektronların bulunabileceği, atomik orbitaller olarak adlandırılan bölgeleri tanımlamamızı sağlar.
Kuantum sayılarını anlamak, kimyada incelenen maddenin dönüşümlerini çok basit ve zarif bir şekilde anlamamızı sağlayan elementlerin elektronik konfigürasyonunu anlamanın ilk adımıdır.
Kuantum teorisi ve Schrödinger denklemi
Mermilerin ve gezegenlerin hareketini tanımlayan fizik, şeyler sonsuz derecede küçük olduğunda iyi çalışmayı bırakır. Maddeyi atomik seviyede en iyi tanımlayan teori kuantum teorisidir. Tıpkı Newton yasalarının klasik fiziğin temelini oluşturması gibi, kuantum teorisinin temel dayanaklarından biri de kuantum sayılarının ve atomik orbitallerin ortaya çıktığı Schrödinger denklemidir.
Schrödinger denklemi, elektronların davranışını dalgalar olarak tanımlayan diferansiyel bir denklemdir. En basit haliyle şöyle yazılır:
Ψ, atomu matematiksel olarak tanımlayan dalga fonksiyonudur.
Dalga fonksiyonu ve atomik orbitaller
Atomik orbitaller, Schrödinger denkleminden veya daha doğrusu dalga fonksiyonundan ortaya çıkar. Dalga fonksiyonunun ne anlama geldiği uzun süre tartışıldı, ta ki karesinin, yani Ψ2’nin uzayda belirli bir yerde bir elektron bulma olasılığını belirlediği keşfedilene kadar .
Bu, kuantum fizikçilerinin ve kimyagerlerin çekirdeğin etrafındaki elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu bölgeleri, dolayısıyla modern bir atomik yörünge kavramını tanımlamasına izin verdi. Aslında, bir atomik orbital, kimyada ve kuantum mekaniğinde, bir elektron bulma olasılığının %90 olduğu uzay bölgesi olarak tanımlanır .
Kuantum sayıları
Schrödinger denklemi tek çözümü olan bir denklem değildir. Aslında, bu denklemin sonsuz sayıda çözümü vardır ve bunların hepsi kuantum sayılarıyla tanımlanır. Resmi olarak, kuantum sayıları, hidrojen atomu için Schrödinger denklemini çözerek elde edilen farklı dalga fonksiyonlarından kaynaklanır. Bu sayıların her kombinasyonu, farklı bir dalga fonksiyonuyla sonuçlanır ve bu nedenle farklı bir atomik yörüngeye yol açar.
Kuantum sayıları nelerdir ve değerleri ne kadardır?
Bir atomik yörüngeyi tanımlayan üç kuantum sayısı ve o yörüngede bulunan belirli bir elektronu tanımlayan ek bir kuantum sayısı vardır. Bu sayılar:
- Temel kuantum sayısı veya enerji düzeyi (n)
- İkincil kuantum sayısı veya açısal momentum ( l )
- Manyetik kuantum sayısı (m l )
- Elektronun spin kuantum sayısı (m s )
Temel kuantum sayısı veya enerji düzeyi (n)
Temel kuantum sayısı, hidrojen atomunda bir yörüngenin enerji seviyesini belirler. Aynı zamanda Bohr’un atom modelinde de yer alır ve elektronların çekirdekten ortalama uzaklığı ile ilişkilidir. Birden fazla elektrona sahip atomlarda, her bir orbitalin gerçek enerji düzeyi, diğer orbitallerdeki elektronların varlığına da bağlıdır.
Bu kuantum sayısı yalnızca doğal sayıları değer olarak alabilir: 1, 2, 3,…
Her ana enerji seviyesini oluşturan yörüngeler kümesine kabuk denir ve K ile başlayan alfabenin büyük harfiyle ilişkilendirilir.
| Temel kuantum sayısı (n) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6… |
| Katman | k | L | M | HAYIR. | HERHANGİ BİRİ | P… |
İkincil kuantum sayısı veya açısal momentum ( l )
Açısal momentum bir yörüngenin şeklini belirler. Her bir kabuk veya ana enerji seviyesi içinde, her biri için karakteristik bir şeklin elde edildiği, açısal momentumlarının değeri ile ayırt edilen birkaç farklı türde orbital olabilir.
Açısal momentumun olası değerleri, temel kuantum sayısına bağlıdır. Aslında , l açısal momentumu yalnızca sıfırdan (0) n – 1’e giden tamsayıları değer olarak alabilir .
Bu, n=1 düzeyinde, l’nin yalnızca n-1=0 değerini alabileceği anlamına gelir. n=2 düzeyinde l, 0 ve 1 değerlerini alabilir ve bu böyle devam eder.
Açısal momentum numarası aynı zamanda enerji alt kabuğu olarak da adlandırılır ve her bir alt kabuk içindeki orbitaller kümesi de alt kabuk olarak adlandırılır. Her alt düzey ayrıca dalga fonksiyonu şekliyle ilgili küçük bir harfle ilişkilendirilir. Aşağıdaki tablo bu ilişkiyi göstermektedir:
| Açısal momentum kuantum sayısı ( l ) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4… |
| Katman | Evet | P | D | F | G… |
Manyetik kuantum sayısı (m l )
Manyetik moment ml, her bir yörüngenin uzaydaki yönelimi ile ilgilidir .
Bu kuantum sayısı, sıfır dahil, yalnızca -l ile +l arasındaki tamsayıları değer alabilir .
Örneğin l =2 (d alt düzeyi) ise m l -2, -1, 0, +1 ve +2 değerlerini alabilir.
Her bir alt kabuktaki manyetik momentin her değeri, belirli bir yörüngeyi tanımlar. O halde, olası manyetik kuantum sayılarının sayısının, her bir alt kabukta kaç tane yörünge olduğunu gösterdiği söylenebilir.
Yörüngelerin yönü genellikle Kartezyen koordinat eksenleri x, y ve z aracılığıyla tanımlanır ve bu, söz konusu yörünge tipine bağlıdır.
s orbitalleri küreseldir, dolayısıyla herhangi bir tercih edilen yönelimleri yoktur, dolayısıyla ml ( 0 olan) değerlerini belirtmeye gerek yoktur. p orbitalleri durumunda, x, y ve z yönleri genellikle sırasıyla -1, 0 ve +1 sayılarına atanır.
Bu nedenle, her enerji seviyesi için (n yeterince büyük olduğu sürece) tek bir s yörüngesi, üç p yörüngesi, 5 d yörüngesi vb. vardır.
n, l ve l bir yörünge tanımlar
Yukarıdakilerden, bir atomik yörüngeyi tanımlamak için, yalnızca ilk üç kuantum sayısının belirli bir kombinasyonunu belirtmenin gerekli olduğu sonucu çıkar. Aşağıdaki tablo, hidrojen atomunun atomik orbitallerinin bazı örneklerini ilgili kuantum sayıları ile birlikte göstermektedir.
| HAYIR | O | m l | Orbital |
| 1 | 0 | 0 | 1 saniye |
| 2 | 0 | 0 | 2 saniye |
| 2 | 1 | -1 | 2p x |
| 2 | 1 | 0 | 2p ve |
| 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 ve z |
| 3 | 2 | +1 | 3 boyutlu x2-y2 |
| 3 | 2 | +2 | 3 boyutlu z2 |
Elektronun spin kuantum sayısı (m s )
Son olarak, elektron spin kuantum sayısına sahibiz. Bu kuantum sayısı, her bir elektronun döndüğü yönü belirtir (spin, İngilizce’de dönüş anlamına gelir).
Elektron dönüşü yalnızca +1/2 veya -1/2 değerlerine sahip olabilir.
Bir elektronun dönüşü, onun bir manyetik alan oluşturmasına neden olur ve bu, iki zıt yönden yalnızca birine işaret edebilir. Bu nedenle dönüş, dönüşün +1/2 veya -1/2 olmasına bağlı olarak genellikle yukarı veya aşağıyı gösteren oklarla temsil edilir.
Elektronun sadece 2 spin değerine sahip olabilmesi ve aynı atomdaki iki elektronun aynı dört kuantum sayısına sahip olamamaları (Pauli dışlama ilkesi olarak adlandırılan) her yörüngede sadece bir maksimum olabileceği anlamına gelir. zıt spinlere sahip iki elektronun çift olduğu söylenir.
Referanslar
Atkins, Peter ve Julio de Paula . (2014). Atkins’in Fiziksel Kimyası. (Rev. ed.). Oxford, Birleşik Krallık: Oxford University Press.
Chang, R. (2008). Fiziksel Kimya (1. baskı ). New York, New York: McGraw Tepesi.
Epiotis, N. ve Henze, D. (2003). Periyodik Tablo (Kimya). Fizik Bilimi ve Teknolojisi Ansiklopedisi , 671–695. https://doi.org/10.1016/b0-12-227410-5/00551-2
Hernandez E., D., Astudillo S., L. (2013). Kuantum sayılarını bilmek. Kimya Eğitimi, Cilt 24, Ek 2, 485-488. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175 adresinden alındı.
Pauling, L. (2021). Kuantum Mekaniğine Giriş: Kimyaya Uygulamalarla (Birinci Baskı). New York, New York: McGraw-Hill.
Kimya.is. (son). kuantum sayısı. https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html adresinden alındı.
Urone, PP ve Hinrichs, R. (2012, 21 Haziran). 30.8 Kuantum Sayıları ve Kuralları – Üniversite Fiziği | OpenStax. Erişim tarihi: 24 Temmuz 2021, https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules
