Quantenzahlen und Elektronenorbitale

Die vier Quantenzahlen der Elektronen

Illustration der Anatomie eines Atoms. Getty Images/BSIP/UIG

Chemie ist hauptsächlich das Studium der Elektronenwechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen. Das Verhalten der Elektronen in einem Atom verstehen, wie z Aufbau principle , ist ein wichtiger Teil des Verständnisses chemische Reaktionen . Frühe Atomtheorien verwendeten die Idee, dass das Elektron eines Atoms denselben Regeln folgte wie ein Mini-Sonnensystem, in dem die Planeten Elektronen waren, die eine zentrale Protonensonne umkreisten. Elektrische Anziehungskräfte sind viel stärker als Gravitationskräfte, folgen aber den gleichen grundlegenden Abstandsregeln. Frühe Beobachtungen zeigten, dass sich die Elektronen eher wie eine Wolke bewegten, die den Kern umgibt, als wie ein einzelner Planet. Die Form der Wolke oder des Orbitals hing von der Energiemenge ab, Drehimpuls und magnetisches Moment des einzelnen Elektrons. Die Eigenschaften eines AtomsElektronenkonfigurationwerden durch vier beschrieben Quantenzahlen : n , ℓ, m , und s .

Erste Quantenzahl

Das erste ist das Energieniveau Quantenzahl, n . In einer Umlaufbahn befinden sich Umlaufbahnen mit niedrigerer Energie in der Nähe der Anziehungsquelle. Je mehr Energie Sie einem Körper im Orbit geben, desto weiter geht er hinaus. Wenn Sie dem Körper genug Energie geben, wird er das System vollständig verlassen. Dasselbe gilt für ein Elektronenorbital. Höhere Werte von n bedeuten mehr Energie für das Elektron und der entsprechende Radius der Elektronenwolke oder des Orbitals ist weiter vom Kern entfernt. Werte von n Beginnen Sie bei 1 und steigen Sie um ganzzahlige Beträge. Je höher der Wert von n, desto näher liegen die entsprechenden Energieniveaus beieinander. Wenn dem Elektron genügend Energie zugeführt wird, verlässt es das Atom und verlässt a positives Ion hinter.

Zweite Quantenzahl

Das zweite Quantenzahl ist die Winkelquantenzahl, ℓ. Jeder Wert von n hat mehrere Werte von ℓ, die in Werten von 0 bis (n-1) reichen. Diese Quantenzahl bestimmt die „Form“ des Elektronen Wolke . In der Chemie gibt es Namen für jeden Wert von ℓ. Der erste Wert, ℓ = 0, wird als s-Orbital bezeichnet. s-Orbitale sind kugelförmig und auf den Kern zentriert. Das zweite, ℓ = 1, wird als p-Orbital bezeichnet. p-Orbitale sind normalerweise polar und bilden eine tropfenförmige Blütenblattform mit der Spitze zum Kern. ℓ = 2-Orbital wird als d-Orbital bezeichnet. Diese Orbitale ähneln der p-Orbitalform, aber mit mehr 'Blütenblättern', wie ein Kleeblatt. Sie können auch Ringformen um die Basis der Blütenblätter haben. Das nächste Orbital, ℓ=3, wird aufgerufen ein f-Orbital . Diese Orbitale sehen in der Regel ähnlich aus wie d-Orbitale, haben aber noch mehr „Blütenblätter“. Höhere Werte von ℓ haben Namen, die in alphabetischer Reihenfolge folgen.

Dritte Quantenzahl

Die dritte Quantenzahl ist die magnetische Quantenzahl, m . Diese Zahlen wurden erstmals in der Spektroskopie entdeckt, als die gasförmigen Elemente einem Magnetfeld ausgesetzt wurden. Die einer bestimmten Umlaufbahn entsprechende Spektrallinie würde sich in mehrere Linien aufteilen, wenn ein Magnetfeld über das Gas eingeführt würde. Die Anzahl der Teilungslinien würde mit der Winkelquantenzahl in Beziehung stehen. Diese Beziehung zeigt für jeden Wert von ℓ einen entsprechenden Satz von Werten von m im Bereich von -ℓ bis ℓ gefunden. Diese Zahl bestimmt die Ausrichtung des Orbitals im Raum. Zum Beispiel, p-Orbitale ℓ=1 entsprechen, haben können m Werte von -1,0,1. Dies würde drei verschiedene Orientierungen im Raum für die Zwillingsblätter der p-Orbitalform darstellen. Sie werden normalerweise als p definiert_x, p_Y, p_Mitum die Achsen darzustellen, an denen sie ausgerichtet sind.

Vierte Quantenzahl

Die vierte Quantenzahl ist das Spinquant Nummer, s . Es gibt nur zwei Werte für s , +½ und -½. Diese werden auch als „Spin Up“ und „Spin Down“ bezeichnet. Diese Zahl wird verwendet, um das Verhalten einzelner Elektronen zu erklären, als würden sie sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen. Der wichtige Teil von Orbitalen ist die Tatsache, dass jeder Wert von m hat zwei Elektronen und brauchte eine Möglichkeit, sie voneinander zu unterscheiden.

Quantenzahlen mit Elektronenorbitalen in Beziehung setzen

Diese vier Zahlen, n , ℓ, m , und s kann verwendet werden, um ein Elektron in einem stabilen Atom zu beschreiben. Die Quantenzahlen jedes Elektrons sind einzigartig und können nicht von einem anderen Elektron in diesem Atom geteilt werden. Diese Eigenschaft wird als Pauli-Ausschlussprinzip . Ein stabiles Atom hat so viele Elektronen wie Protonen. Die Regeln, denen die Elektronen folgen, um sich um ihr Atom zu orientieren, sind einfach, sobald man die Regeln der Quantenzahlen verstanden hat.

Zur Durchsicht

• n kann ganzzahlige Werte haben: 1, 2, 3, ...
• Für jeden Wert von n , ℓ kann ganzzahlige Werte von 0 bis (n-1) haben
• m kann jeden ganzzahligen Wert haben, einschließlich Null, von -ℓ bis +ℓ
• s kann entweder +½ oder -½ sein