Κβαντικοί αριθμοί και τροχιακά ηλεκτρονίων

Η χημεία είναι κυρίως η μελέτη των αλληλεπιδράσεων ηλεκτρονίων μεταξύ ατόμων και μορίων. Κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο, όπως Αρχή του Aufbau, είναι ένα σημαντικό μέρος της κατανόησης χημικές αντιδράσεις. Πρώιμες ατομικές θεωρίες χρησιμοποίησε την ιδέα ότι το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου ακολούθησε τους ίδιους κανόνες με ένα μίνι ηλιακό σύστημα όπου οι πλανήτες ήταν ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από έναν ήλιο κεντρικού πρωτονίου. Οι ηλεκτρικές ελκυστικές δυνάμεις είναι πολύ ισχυρότερες από τις βαρυτικές δυνάμεις, αλλά ακολουθούν τους ίδιους βασικούς αντίστροφους τετραγωνικούς κανόνες για την απόσταση. Οι πρώτες παρατηρήσεις έδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται περισσότερο σαν ένα σύννεφο που περιβάλλει τον πυρήνα και όχι έναν μεμονωμένο πλανήτη. Το σχήμα του νέφους, ή το τροχιακό, εξαρτάται από την ποσότητα ενέργειας, στροφορμή και μαγνητική ροπή του μεμονωμένου ηλεκτρονίου. Οι ιδιότητες ενός ατόμου διαμόρφωση ηλεκτρονίων περιγράφονται από τέσσερα κβαντικοί αριθμοί: ν, ℓ, Μ, και μικρό.

Το πρώτο είναι το επίπεδο ενέργειας κβαντικός αριθμός, ν. Σε τροχιά, οι τροχιές χαμηλότερης ενέργειας βρίσκονται κοντά στην πηγή έλξης. Όσο περισσότερη ενέργεια δίνεις σε ένα σώμα σε τροχιά, τόσο περισσότερο «εξέρχεται» πηγαίνει. Εάν δώσετε στο σώμα αρκετή ενέργεια, θα αφήσει το σύστημα εντελώς. Το ίδιο ισχύει και για τροχιακό ηλεκτρονίων. Υψηλότερες τιμές ν σημαίνει περισσότερη ενέργεια για το ηλεκτρόνιο και η αντίστοιχη ακτίνα του νέφους ή της τροχιακής ηλεκτρονίας βρίσκεται πιο μακριά από τον πυρήνα. Τιμές ν ξεκινήστε από το 1 και ανεβείτε με ακέραια ποσά. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή του n, τόσο πιο κοντά είναι τα αντίστοιχα επίπεδα ενέργειας μεταξύ τους. Εάν προστεθεί αρκετή ενέργεια στο ηλεκτρόνιο, θα αφήσει το άτομο και θα αφήσει ένα θετικό ιόν πίσω.

ο δεύτερος κβαντικός αριθμός είναι ο γωνιακός κβαντικός αριθμός, ℓ. Κάθε τιμή του ν έχει πολλαπλές τιμές ℓ κυμαινόμενες σε τιμές από 0 έως (n-1). Αυτός ο κβαντικός αριθμός καθορίζει το «σχήμα» του σύννεφο ηλεκτρονίων. Στη χημεία, υπάρχουν ονόματα για κάθε τιμή ℓ. Η πρώτη τιμή, ℓ = 0 ονομάζεται τροχιακό s. Τα τροχιακά είναι σφαιρικά, με επίκεντρο τον πυρήνα. Το δεύτερο, ℓ = 1 ονομάζεται τροχιακό p. Τα τροχιακά p είναι συνήθως πολικά και σχηματίζουν ένα σχήμα πετάλου στα δάκρυ με το σημείο προς τον πυρήνα. or = 2 το τροχιακό ονομάζεται τροχιακό d. Αυτά τα τροχιακά είναι παρόμοια με το τροχιακό σχήμα p, αλλά με περισσότερα «πέταλα» σαν τριφύλλι. Μπορούν επίσης να έχουν σχήματα δακτυλίου γύρω από τη βάση των πετάλων. Το επόμενο τροχιακό, ℓ = 3 καλείται ένα τροχιακό f. Αυτά τα τροχιακά τείνουν να μοιάζουν με τα d τροχιακά, αλλά με ακόμη περισσότερα «πέταλα». Οι υψηλότερες τιμές του ℓ έχουν ονόματα που ακολουθούν με αλφαβητική σειρά.

Ο τρίτος κβαντικός αριθμός είναι ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός, Μ. Αυτοί οι αριθμοί ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά σε φασματοσκοπία όταν τα αέρια στοιχεία εκτέθηκαν σε μαγνητικό πεδίο. Η φασματική γραμμή που αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη τροχιά θα χωριστεί σε πολλαπλές γραμμές όταν θα εισαχθεί ένα μαγνητικό πεδίο κατά μήκος του αερίου. Ο αριθμός των διαχωρισμένων γραμμών θα σχετίζεται με τον γωνιακό κβαντικό αριθμό. Αυτή η σχέση δείχνει για κάθε τιμή ℓ, ένα αντίστοιχο σύνολο τιμών Μ βρίσκεται από -ℓ έως ℓ. Αυτός ο αριθμός καθορίζει τον προσανατολισμό της τροχιακής στο χώρο. Για παράδειγμα, τροχιακά p αντιστοιχεί σε ℓ = 1, μπορεί να έχει Μ τιμές -1,0,1. Αυτό θα αντιπροσωπεύει τρεις διαφορετικούς προσανατολισμούς στο διάστημα για τα δίδυμα πέταλα του τροχιακού σχήματος p. Συνήθως ορίζονται ως p_Χ, Π_γ, Π_ζ να αντιπροσωπεύουν τους άξονες με τους οποίους ευθυγραμμίζονται.

Ο τέταρτος κβαντικός αριθμός είναι το κβαντικό περιστροφής αριθμός, μικρό. Υπάρχουν μόνο δύο τιμές για μικρό, + ½ και -½. Αυτά αναφέρονται επίσης ως «spin up» και «spin down». Αυτός ο αριθμός χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τη συμπεριφορά των μεμονωμένων ηλεκτρονίων σαν να περιστρέφονται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα. Το σημαντικό μέρος των τροχιακών είναι το γεγονός ότι κάθε τιμή του Μ έχει δύο ηλεκτρόνια και χρειάζεται έναν τρόπο να τα διακρίνει το ένα από το άλλο.

Αυτοί οι τέσσερις αριθμοί, ν, ℓ, Μ, και μικρό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα σταθερό άτομο. Οι κβαντικοί αριθμοί κάθε ηλεκτρονίου είναι μοναδικοί και δεν μπορούν να μοιραστούν από άλλο ηλεκτρόνιο σε αυτό το άτομο. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται Αρχή αποκλεισμού Pauli. Ένα σταθερό άτομο έχει τόσο ηλεκτρόνια όσο και πρωτόνια. Οι κανόνες που ακολουθούν τα ηλεκτρόνια για να προσανατολιστούν γύρω από το άτομο τους είναι απλοί όταν κατανοηθούν οι κανόνες που διέπουν τους κβαντικούς αριθμούς.

• ν μπορεί να έχει ακέραιες τιμές: 1, 2, 3, ...
• Για κάθε τιμή ν, ℓ μπορεί να έχει ακέραιες τιμές από 0 έως (n-1)
• Μ μπορεί να έχει οποιαδήποτε τιμή ακέραιου αριθμού, συμπεριλαμβανομένου του μηδέν, από -ℓ έως + ℓ
• μικρό μπορεί να είναι είτε + ½ ή -½