Κβαντικοί αριθμοί

Σύμφωνα με το ατομικό μοντέλο του Νιλς Μπορ, τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός ατόμου βρίσκονται στον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια βρίσκονται γύρω από αυτόν. Αν και δεν μπορούμε να γνωρίζουμε πού βρίσκεται ακριβώς ένα ηλεκτρόνιο, υπάρχουν περιοχές όπου είναι πιο πιθανό να βρεθεί, τα ατομικά τροχιακά. Και πώς μπορούμε να προσδιορίσουμε αυτά τα τροχιακά; Πολύ απλό, χρησιμοποιώντας κβαντικούς αριθμούς.

Ποιοι είναι οι κβαντικοί αριθμοί;

Υπάρχουν 4 κβαντικοί αριθμοί. Τρία από αυτά μας δίνουν πληροφορίες για το πού βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο συγκεκριμένου ατόμου, δηλαδή μας δίνουν πληροφορίες για το τροχιακό. Από την άλλη πλευρά, ο τέταρτος κβαντικός αριθμός δεν μας λέει πού βρίσκεται το ηλεκτρόνιο, αλλά πώς. Δεν είστε ακόμα πολύ ξεκάθαροι σε αυτό; Καν 'το!

• Κύριος κβαντικός αριθμός (η) Είναι το τελευταίο επίπεδο ενέργειας που γεμίζει και δείχνει το μέγεθος της τροχιάς και επομένως την απόσταση μεταξύ του πυρήνα και του ηλεκτρονίου. Γιατί; Πολύ εύκολο. Όσο μεγαλύτερο είναι το τροχιακό, τόσο πιο μακριά μπορεί να είναι το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα του ατόμου.
• Αζιμουθιακός ή δευτερεύων κβαντικός αριθμός (μεγάλο). Αναφέρετε το σχήμα της τροχιάς.
• Μαγνητικός κβαντικός αριθμός (Μ). Υποδεικνύει τον προσανατολισμό της τροχιάς.
• Περιστρέψτε τον κβαντικό αριθμό (μικρό). Πείτε με ποιον τρόπο περιστρέφεται το ηλεκτρόνιο.

Εύκολα σωστά; Πάμε με το σημαντικό!

Πώς προκύπτουν οι κβαντικοί αριθμοί

Για να λάβετε τους κβαντικούς αριθμούς πρέπει απλώς να ακολουθήσετε 2 απλά βήματα:

1. Γράψτε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων.
2. Πάρτε τους κβαντικούς αριθμούς από το διαφορικό ηλεκτρόνιο (το τελευταίο που γεμίζει το τροχιακό).

Ηλεκτρονική διαμόρφωση

Ξεκινάμε με το βήμα 1, γράφουμε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων. Πως? Υπάρχουν δύο μέθοδοι για να το κάνουμε, ας το φτάσουμε!

Διάγραμμα Moeller

Αυτή η τεχνική υποδεικνύει τη σειρά πλήρωσης των τροχιακών μέσω του παρακάτω σχεδίου:

Αυτό το διάγραμμα διέπεται από την αρχή Aufbau, η οποία υποστηρίζει ότι τα τροχιακά συμπληρώνουν αυξανόμενη τάξη ενέργειας, δηλαδή το τροχιακό που έχει τη λιγότερη ενέργεια θα γεμίσει νωρίτερα.

Για να μάθετε ποιο τροχιακό έχει περισσότερη ενέργεια, εκτελέστε τη λειτουργία n + l. Εάν αυτή η λειτουργία για δύο διαφορετικά άτομα καταλήξει στον ίδιο αριθμό, αυτή του οποίου ο αριθμός n είναι υψηλότερος θα έχει περισσότερη ενέργεια. Με άλλα λόγια, σε περίπτωση ισοπαλίας, συμπληρώνεται πρώτα αυτός με τον μικρότερο αριθμό n. Ας το δούμε με ένα παράδειγμα:

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

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

Εφόσον υπάρχει ισοπαλία στον κανόνα n + l, γεμίζει 4p νωρίτερα επειδή ο αριθμός του n είναι μικρότερος.

Μοντέλο πυρήνα

Για να λάβετε την ηλεκτρονική διαμόρφωση σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, πρέπει να γνωρίζετε τον περιοδικό πίνακα πολύ καλά. Αν έχουμε τον ατομικό αριθμό και τη θέση του στοιχείου στον πίνακα, είναι ένα κομμάτι κέικ!

Αυτή η μέθοδος θεωρείται απλουστευμένη μέθοδος, καθώς επιτρέπει την μη εγγραφή ολόκληρης της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να γράψουμε το όνομα του στοιχείου ευγενούς αερίου παραπάνω σε αγκύλες και στη συνέχεια τη διαδρομή από αυτό το ευγενές αέριο στο εν λόγω στοιχείο. Ας δούμε ένα παράδειγμα:Έτσι, θα γράψουμε την τροχιά λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό της περιόδου (σειρά του περιοδικού πίνακα) και τη "ζώνη" και, μόλις γραφτεί η ηλεκτρονική διαμόρφωση, θα εξάγουμε τους κβαντικούς αριθμούς.

Ο φωσφόρος (Ρ) θα γραφτεί από το προηγούμενο ευγενές αέριο, δηλαδή το Νέον:

P -> [Ne] 3s²3p³

Φυσικά, πρέπει να είστε προσεκτικοί με αυτήν τη μέθοδο, αφού οι ζώνες d και f είναι ειδικές ζώνες. Καθώς κάνουμε το ταξίδι, στη ζώνη d δεν θα βάλουμε τον αριθμό της περιόδου (σειρά), αλλά τον αριθμό της περιόδου μείον ένα. Το ίδιο συμβαίνει και με την περιοχή F, δεν θα βάλουμε τον αριθμό της περιόδου, αλλά τον αριθμό της περιόδου μείον δύο. Θα το καταλάβετε καλύτερα με μερικά παραδείγματα:

Nb -> [Kr] 5s¹4d⁴

Αν και βρίσκεται στην περίοδο 5, όταν βρισκόμαστε στη ζώνη d, αφαιρούμε το 1.

Nd -> [Xe] 6s²4f¹⁴

Αν και βρίσκεται στην περίοδο 6, όταν βρισκόμαστε στη ζώνη f, αφαιρούμε το 2.

Εξαιρέσεις στην ηλεκτρονική διαμόρφωση

Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων έχει μερικές ειδικές πτυχές που, αν δεν τις γνωρίζετε, μπορεί να οδηγήσουν σε μεγάλους τροφοδότες κεφαλής. Μην σκορπίζετε όμως πανικό! Θα σας το πούμε!

Ζώνη ΣΤ

Η Ζώνη F εμφανίζεται στο κάτω μέρος του περιοδικού πίνακα, αλλά στην πραγματικότητα είναι "ενσωματωμένη" στο κενό που βλέπουμε με λευκό χρώμα, δηλαδή μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου στοιχείου των δύο τελευταίων σειρών της ζώνης D.

Το βλέπεις? Για το λόγο αυτό, μερικές φορές, όταν πρέπει να γράψουμε την ηλεκτρονική διαμόρφωση ενός στοιχείου στη ζώνη F, για παράδειγμα, Nd, θα πρέπει να βάλουμε ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη D του αντίστοιχου επιπέδου σε σχέση με αυτό το στοιχείο στη ζώνη D που είναι πριν την είσοδο στη ζώνη ΣΤ.

Ce -> [Xe] 6s²5d¹4f¹

Ομάδα 6 και Ομάδα 11

Τα μεταβατικά μέταλλα της ομάδας 6 και της ομάδας 11 έχουν 4 και 9 ηλεκτρόνια στα τελευταία τους κελύφη, αντίστοιχα. Επομένως, για να είναι ένα πιο σταθερό στοιχείο, το τροχιακό s ενθουσιάζεται και χάνει ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο περνά στο επόμενο τροχιακό, το d. Με αυτόν τον τρόπο, το τροχιακό s θα μείνει με ένα ηλεκτρόνιο. και d με 5, αν είναι στοιχείο της ομάδας 6 ή με 10, αν είναι στοιχείο της ομάδας 11.

Εδώ είναι ένα παράδειγμα:

Ag -> [Kr] 5s²4d⁹

Προφανώς, αυτή θα ήταν η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του αργύρου (Ag). Ωστόσο, όταν χάνουμε ένα ηλεκτρόνιο από την τροχιά του s, μοιάζει με αυτό:

Ag -> [Kr] 5s¹4d¹⁰

Ωστόσο, υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτόν τον κανόνα, όπως το Tungsten (ομάδα 6), το οποίο έχει μείνει με 2 ηλεκτρόνια στο s τροχιακό και 4 στο d τροχιακό.

Αλλά μην ανησυχείτε! Οι πιο χαρακτηριστικοί (Cr, Cu, Ag και Au) ακολουθούν αυτόν τον κανόνα.

Τόπιασες? Καλά. Αυτό είναι το μόνο που πρέπει να γνωρίζετε για τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων. Πάμε για κβαντικούς αριθμούς!

Πώς να λάβετε κβαντικούς αριθμούς

Για να πάρουμε τους κβαντικούς αριθμούς, πρέπει να γνωρίζουμε πόσα ηλεκτρόνια χωρούν σε κάθε τροχιακό κέλυφος, λαμβάνοντας υπόψη ότι 2 ηλεκτρόνια χωρούν σε τροχιά.

• Layer sΤο Έχει μόνο ένα τροχιακό, οπότε μπορεί να χωρέσει 2 ηλεκτρόνια.

• Layer pΤο Έχει 3 τροχιακά, οπότε υπάρχει χώρος για 6 ηλεκτρόνια.

• Στρώμα δΤο Έχει 5 τροχιακά, οπότε μπορεί να χωρέσει 10 ηλεκτρόνια.

• Στρώμα fΤο Έχει 7 τροχιακά, δηλαδή χωράει 14 ηλεκτρόνια.

Τώρα που καταλαβαίνετε ότι υπάρχουν 2 ηλεκτρόνια σε κάθε τροχιά, θα πρέπει να γνωρίζετε τον κανόνα του Hund. Αυτός ο κανόνας λέει ότι όταν γεμίζουν τροχιακά του ίδιου υποεπίπεδου ή κελύφους, για παράδειγμα, το κέλυφος p, τα ηλεκτρόνια γεμίζουν το τροχιακό προς τη μία κατεύθυνση (θετικό) και μετά στην άλλη (αρνητικό). Θέλετε να το δείτε με ένα παράδειγμα;

Αν έχουμε 2π⁴, δηλαδή το 2p τροχιακό με 4 ηλεκτρόνια, δεν θα γεμίσει έτσι:

Θα γεμίσει έτσι:

Το παίρνεις; Τέλεια, ας δούμε πώς να υπολογίσουμε τους αριθμούς:

• Κβαντικός αριθμός n. Αυτός ο αριθμός συμπίπτει με τον αριθμό του τελευταίου επιπέδου της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, εάν η διαμόρφωση ηλεκτρονίων τελειώνει σε 4s², ο κύριος κβαντικός αριθμός θα είναι 4.
• Κβαντικός αριθμός l. Αυτός ο αριθμός εξαρτάται από το τελευταίο επίπεδο που έχει συμπληρωθεί.
• Στρώμα s -> l = 0
• Στρώμα p -> l = 1
• Στρώμα d -> l = 2
• Στρώμα f -> l = 3
• Κβαντικός αριθμός m. Ο αριθμός m μπορεί να είναι οποιαδήποτε τιμή μεταξύ -l και + l, επομένως θα εξαρτηθεί από το υποεπίπεδο στο οποίο βρίσκεται το διαφορικό ηλεκτρόνιο, δηλαδή από το αν είναι s, p, d ή f. Πώς να υπολογίσετε αυτόν τον αριθμό είναι λίγο πιο περίπλοκο, ας το δούμε με μερικά σχέδια:
• Στρώμα s -> Όπως είδαμε, το l αξίζει 0, άρα το m μπορεί να αξίζει μόνο 0.
• Στρώμα p -> Το l αξίζει 1, οπότε το m μπορεί να είναι -1, 0 ή 1.

• Στρώμα d -> Το l είναι 2, οπότε το m θα μπορούσε να είναι -2, -1, 0, 1 και 2.

• Το επίπεδο f -> l αξίζει 3, οπότε το m μπορεί να είναι -3, -2, -1, 0, 1, 2 και 3.

Γνωρίζετε ήδη πώς γεμίζουν τα τροχιακά, οπότε ο κβαντικός αριθμός m θα έχει την τιμή της οπής όπου βρίσκεται το τελευταίο τραβηγμένο ηλεκτρόνιο. Θυμάστε αυτό το παράδειγμα από πριν;

Σε αυτή την περίπτωση, το m θα είναι -1, αφού στο κέλυφος p (3 τροχιακά), εάν υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια, το τελευταίο που θα γεμίσει θα είναι το αρνητικό του πρώτου τροχιακού.

• Κβαντικός αριθμός sΤο Ο κβαντικός αριθμός s μπορεί να αξίζει μόνο ½ και -½. Εάν το τελευταίο ηλεκτρόνιο που έχει τραβηχτεί είναι θετικό, δηλαδή το βέλος είναι πάνω, το s θα είναι. Από την άλλη πλευρά, εάν το τελευταίο ηλεκτρόνιο που γεμίζει την τροχιά είναι αρνητικό, δηλαδή, με το βέλος στραμμένο προς τα κάτω, το s θα είναι -½.

Ασκήσεις και παραδείγματα

Ναι, γνωρίζουμε ήδη ότι όλα αυτά είναι πολλές πληροφορίες, αλλά θα το καταλάβετε καλύτερα με μερικά παραδείγματα. Ορίστε!

Παράδειγμα 1

Σελήνιο (Se) -> Ατομικός αριθμός: 34

1. Γράφουμε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων. Γράφουμε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων σύμφωνα με το διάγραμμα Moeller, λαμβάνοντας υπόψη ότι τα τροχιακά s, p, d και f έχουν 2, 6, 10 και 14 ηλεκτρόνια αντίστοιχα. Γράφουμε τη διαμόρφωση προσθέτοντας τον αριθμό των ηλεκτρονίων, ο οποίος γράφεται ως εκθέτης.

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

Καθώς το τροχιακό 4p δεν γεμίζει, αφού τα ηλεκτρόνια θα προσθέσουν έως 36, δεν βάζουμε 4p⁶αλλά 4π⁴.

2. Βγάζουμε τους κβαντικούς αριθμούς. Για να γίνει αυτό, εξετάζουμε το σθένος ή το διαφορικό ηλεκτρόνιο, δηλαδή το τελευταίο ηλεκτρόνιο που έχει γεμίσει το τροχιακό. Σε αυτή την περίπτωση, θα εξετάσουμε το 4p⁴.
   • Κύριος κβαντικός αριθμός. Το τελευταίο επίπεδο ενέργειας που έπρεπε να γεμίσει ήταν 4.

n = 4

• Δευτερεύων κβαντικός αριθμός. Το τελευταίο υποεπίπεδο ενέργειας που πρέπει να γεμίσει ήταν το ρ τροχιακό.

l = 1

• Μαγνητικός κβαντικός αριθμός. Εάν σχεδιάζουμε τα ηλεκτρόνια, το τελευταίο που θα γεμίσει θα είναι το πρώτο τροχιακό του κελύφους p.

m = -1

• Περιστρέψτε τον κβαντικό αριθμό. Το τελευταίο ηλεκτρόνιο που καταλαμβάνει το τροχιακό p έχει το κάτω βέλος.

s = -½

Παράδειγμα 2

Χρυσός (Au) -> [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

• Κύριος κβαντικός αριθμός -> n = 5
• Δευτερεύων κβαντικός αριθμός -> l = 2
• Μαγνητικός κβαντικός αριθμός -> m = 2
• Περιστρέψτε τον κβαντικό αριθμό -> s = -½

Και αυτό είναι όλο! Τώρα είναι η σειρά σας, μπορείτε να κάνετε τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων και να λάβετε τους κβαντικούς αριθμούς των ακόλουθων στοιχείων;:

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