Kvantni brojevi

Prema atomskom modelu Niels Bohra, protoni i neutroni atoma nalaze se u jezgri, dok su elektroni oko njega. Iako ne možemo znati gdje se elektron točno nalazi, postoje područja u kojima će se najvjerojatnije naći, atomske orbitale. I kako možemo odrediti te orbitale? Vrlo jednostavno, koristeći kvantne brojeve.

Šta su kvantni brojevi?

Postoje 4 kvantna broja. Tri od njih daju nam informacije o tome gdje se nalazi elektron određenog atoma, odnosno daju nam podatke o orbiti. S druge strane, četvrti kvantni broj ne govori nam gdje je elektron, već kako. Još vam nije jasno oko ovoga? Samo napred!

• Glavni kvantni broj (n). To je posljednji nivo energije koji treba ispuniti i pokazuje veličinu orbite, a time i udaljenost između jezgre i elektrona. Zašto? Vrlo jednostavno. Što je veća orbitala, elektron može biti dalje od jezgre atoma.
• Azimutni ili sekundarni kvantni broj (l). Označite oblik orbite.
• Magnetski kvantni broj (m). Označava orijentaciju orbite.
• Spin kvantni broj (s). Recite u kom smjeru se elektron rotira.

Lako zar ne? Idemo na važnu stvar!

Kako se izvode kvantni brojevi

Da biste dobili kvantne brojeve, samo morate slijediti 2 jednostavna koraka:

1. Napišite konfiguraciju elektrona.
2. Dobijte kvantne brojeve iz diferencijalnog elektrona (posljednjeg koji ispunjava orbitalu).

Elektronska konfiguracija

Počinjemo s korakom 1, zapisujemo konfiguraciju elektrona. Kako? Postoje dvije metode za to, prijeđimo na to!

Moellerov dijagram

Ova tehnika označava redoslijed popunjavanja orbitala putem sljedećeg crteža:

Ovim dijagramom upravlja Aufbauov princip, koji brani da orbitale ispunjavaju rastući redoslijed energije, odnosno da će se orbitala koja ima najmanje energije napuniti ranije.

Da biste saznali koja orbitala ima više energije, izvedite operaciju n + l. Ako ova operacija za dva različita atoma rezultira istim brojem, onaj čiji je broj n veći imat će više energije. Drugim riječima, u slučaju izjednačenog rezultata prvo se popunjava onaj s najmanjim brojem n. Pogledajmo to na primjeru:

4p: n + l -> 4 + 1 = 5

5s: n + l -> 5 + 0 = 5

Budući da postoji pravilo u n + l pravilu, ono popunjava 4p ranije jer je njegov broj n manji.

Model jezgre

Da biste dobili elektroničku konfiguraciju po ovom modelu, morate vrlo dobro poznavati periodni sustav. Ako imamo atomski broj i položaj elementa u tablici, to je komad kolača!

Ova metoda se smatra pojednostavljenom metodom jer dopušta da ne morate pisati kompletnu konfiguraciju elektrona. Na ovaj način možemo u zagrade upisati naziv elementa plemenitog gasa, a zatim put od tog plemenitog gasa do dotičnog elementa. Pogledajmo primjer:Tako ćemo zapisati putanju uzimajući u obzir broj perioda (red periodične tablice) i "zonu" i, nakon što je zapisana elektronička konfiguracija, izdvojit ćemo kvantne brojeve.

Fosfor (P) će biti napisan iz prethodnog plemenitog gasa, odnosno Neona:

P -> [Ne] 3s²3p³

Naravno, morate biti oprezni s ovom metodom, jer su zone d i f posebne zone. Dok putujemo, u zonu d nećemo staviti broj točke (reda), već broj točke minus jedan. Isto se dešava i sa područjem F, nećemo staviti broj perioda, već broj perioda minus dva. Bolje ćete to razumjeti s nekoliko primjera:

Nb -> [Kr] 5s¹4d⁴

Iako je to u razdoblju 5, kada smo u zoni d oduzimamo 1.

Nd -> [Xe] 6s²4f¹⁴

Iako je to u razdoblju 6, kada smo u zoni f oduzimamo 2.

Izuzeci u elektronskoj konfiguraciji

Konfiguracija elektrona ima nekoliko posebnih aspekata koji, ako ih niste svjesni, mogu dovesti do velikih dodavača glave. Ali nemojte širiti paniku! Reći ćemo vam!

Zona F

Zona F pojavljuje se na dnu periodnog sistema, ali je zapravo "ugrađena" u jaz koji vidimo bijelom bojom, odnosno između prvog i drugog elementa posljednja dva reda zone D.

Vidite li to? Iz tog razloga, ponekad, kada moramo pisati elektroničku konfiguraciju elementa u zoni F, na primjer, Nd, morat ćemo staviti elektron u zonu D odgovarajuće razine u odnosu na taj element u zoni D, tj. pre ulaska u zonu F.

Ce -> [Xe] 6s²5d¹4f¹

Grupa 6 i Grupa 11

Prijelazni metali grupe 6 i grupe 11 imaju 4, odnosno 9 elektrona u posljednjim ljuskama. Stoga, da bi bio stabilniji element, s orbita se uzbuđuje i gubi elektron, koji prelazi na sljedeću orbitu, d. Na ovaj način će s orbitali ostati elektron; i d sa 5, ako je element grupe 6, ili sa 10, ako je element grupe 11.

Evo primjera:

Ag -> [Kr] 5s²4d⁹

Očigledno, ovo bi bila elektronska konfiguracija srebra (Ag). Međutim, pri gubitku elektrona iz orbite, to izgleda ovako:

Ag -> [Kr] 5s¹4d¹⁰

Međutim, postoje iznimke od ovog pravila, poput volframa (grupa 6), koji ima 2 elektrona u s orbitalu i 4 u d orbitalu.

Ali ne brinite! Najtipičniji (Cr, Cu, Ag i Au) slijede ovo pravilo.

Razumiješ li? Pa dobro. To je sve što trebate znati o konfiguraciji elektrona. Idemo na kvantne brojeve!

Kako doći do kvantnih brojeva

Da bismo dobili kvantne brojeve, moramo znati koliko elektrona stane u svaku orbitalnu ljusku, uzimajući u obzir da se 2 elektrona uklapaju u orbitalu.

• Sloj s. Ima samo jednu orbitalu pa može držati 2 elektrona.

• Sloj str. Ima 3 orbitale, tako da ima mjesta za 6 elektrona.

• Sloj d. Ima 5 orbitala, pa može stati 10 elektrona.

• Sloj f. Ima 7 orbitala, odnosno drži 14 elektrona.

Sada kada razumijete da u svakoj orbiti postoje 2 elektrona, trebali biste znati Hundovo pravilo. Ovo pravilo kaže da pri punjenju orbitala istog podnivoa ili ljuske, na primjer, p ljuske, elektroni ispunjavaju orbitu u jednom smjeru (pozitivan), a zatim u drugom (negativan). Želite li to vidjeti s primjerom?

Ako imamo 2p⁴, to jest, 2p orbitala sa 4 elektrona, neće se ispuniti ovako:

Ispuniće se ovako:

Shvaćate li? Odlično, da vidimo kako izračunati brojeve:

• Kvantni broj n. Taj se broj podudara s brojem posljednjeg nivoa konfiguracije elektrona. Na primjer, ako konfiguracija elektrona završava s 4s², glavni kvantni broj bit će 4.
• Kvantni broj l. Ovaj broj ovisi o posljednjem sloju koji je ispunjen.
• Sloj s -> l = 0
• Sloj p -> l = 1
• Sloj d -> l = 2
• Sloj f -> l = 3
• Kvantni broj m. Broj m može biti bilo koja vrijednost između -l do + l, pa će ovisiti o podnivou u kojem se nalazi diferencijalni elektron, odnosno o tome je li to s, p, d ili f. Kako je izračunati ovaj broj malo je složenije, pogledajmo to s nekoliko crteža:
• Sloj s -> Kao što smo vidjeli, l vrijedi 0, pa m može vrijediti samo 0.
• Sloj p -> l vrijedi 1, pa m može biti -1, 0 ili 1.

• Sloj d -> l je 2, pa bi m moglo biti -2, -1, 0, 1 i 2.

• Sloj f -> l vrijedi 3, pa m može biti -3, -2, -1, 0, 1, 2 i 3.

Već znate kako su orbitale ispunjene, pa će kvantni broj m imati vrijednost rupe u kojoj se nalazi posljednji izvučeni elektron. Sjećate li se ovog primjera od ranije?

U ovom slučaju, m će biti -1, budući da u ljusci p (3 orbitale), ako postoje 4 elektrona, zadnji koji bi se ispunio bio bi negativ prve orbite.

• Kvantni broj s. Kvantni broj s može vrijediti samo ½ i ½. Ako je posljednji izvučeni elektron pozitivan, to jest, strelica je gore, s će biti ½. S druge strane, ako je posljednji elektron koji je ispunio orbitu negativan, to jest sa strelicom okrenutom prema dolje, s će biti -½.

Vježbe i primjeri

Da, već znamo da je sve ovo puno informacija, ali to ćete bolje razumjeti s nekim primjerima. Idemo!

Primer 1

Selen (Se) -> Atomski broj: 34

1. Pišemo konfiguraciju elektrona. Konfiguraciju elektrona pišemo prema Moellerovom dijagramu, uzimajući u obzir da s, p, d i f orbitale imaju 2, 6, 10 i 14 elektrona. Konfiguraciju pišemo dodavanjem broja elektrona koji je zapisan kao eksponent.

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

Kako se 4p orbitala ne puni, budući da bi se elektroni zbrajali do 36, ne stavljamo 4p⁶ali 4p⁴.

2. Izvadimo kvantne brojeve. Da bismo to učinili, gledamo valentni ili diferencijalni elektron, odnosno posljednji elektron koji je ispunio orbitalu. U ovom slučaju ćemo pogledati 4p⁴.
   • Glavni kvantni broj. Zadnji nivo energije koji je trebalo napuniti bio je 4.

n = 4

• Sekundarni kvantni broj. Posljednji energetski podnivo koji je potrebno popuniti bila je p orbitala.

l = 1

• Magnetski kvantni broj. Ako crtamo elektrone, posljednja koja će se ispuniti bit će prva orbita p ljuske.

m = -1

• Spin kvantni broj. Posljednji elektron koji zauzima p orbitalu ima strelicu prema dolje.

s = -½

Primer 2

Zlato (Au) -> [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

• Glavni kvantni broj -> n = 5
• Sekundarni kvantni broj -> l = 2
• Magnetski kvantni broj -> m = 2
• Spin kvantni broj -> s = -½

I to je sve! Sada je vaš red, možete li napraviti konfiguraciju elektrona i dobiti kvantne brojeve sljedećih elemenata?:

Cr(24), Rb(37), Br(35), Lu(71), Au(79)