מספרים קוונטיים

על פי המודל האטומי של נילס בוהר, הפרוטונים והניוטרונים של האטום נמצאים בגרעין, בעוד שהאלקטרונים נמצאים סביבו. למרות שאיננו יכולים לדעת היכן נמצא האלקטרון, ישנם אזורים שבהם סביר להניח שהוא נמצא, האורביטלים האטומיים. וכיצד נוכל לקבוע את אותם אורביטלים? פשוט מאוד, תוך שימוש במספרים קוונטיים.

מהם המספרים הקוונטיים?

ישנם 4 מספרים קוונטיים. שלושה מהם נותנים לנו מידע על המקום בו נמצא אלקטרון של אטום מסוים, כלומר, הם נותנים לנו מידע על המסלול. מצד שני, המספר הקוונטי הרביעי אינו אומר לנו היכן האלקטרון, אלא כיצד. אתה עדיין לא מאוד ברור לגבי זה? לך על זה!

• מספר קוונטי עיקרי (n). זוהי רמת האנרגיה האחרונה שממלאת ומצביעה על גודל המסלול ולכן המרחק בין הגרעין לאלקטרון. למה? קל מאוד. ככל שהמסלול גדול יותר, כך האלקטרון יכול להיות רחוק יותר מגרעין האטום.
• מספר קוונטי אזימוטל או משני (ל). ציין את צורת המסלול.
• מספר קוונטי מגנטי (M). מציין את כיוון המסלול.
• סיבוב מספר קוונטי (ים). ספרו באיזה כיוון האלקטרון מסתובב.

קל נכון? בואו נלך עם הדבר החשוב!

כיצד נגזרים מספרים קוונטיים

כדי לקבל את המספרים הקוונטיים אתה רק צריך לבצע 2 שלבים פשוטים:

1. כתוב את תצורת האלקטרונים.
2. קבל את המספרים הקוונטיים מהאלקטרון הדיפרנציאלי (האחרון שממלא את המסלול).

תצורה אלקטרונית

אנו מתחילים משלב 1, כותבים את תצורת האלקטרונים. אֵיך? ישנן שתי שיטות לעשות זאת, בואו נגיע לזה!

דיאגרמת מולר

טכניקה זו מציינת את סדר מילוי האורביטלים באמצעות הציור הבא:

דיאגרמה זו נשלטת על פי עקרון Aufbau, המגן על כך שהמסלולים ממלאים את סדר האנרגיה ההולך וגדל, כלומר, המסלול שיש לו הכי פחות אנרגיה יתמלא מוקדם יותר.

כדי לברר לאיזה מסלול יש יותר אנרגיה, בצע את הפעולה n + l. אם פעולה זו לשני אטומים שונים גורמת לאותו מספר, למי שמספרו n גבוה יותר תהיה יותר אנרגיה. במילים אחרות, במקרה של שוויון, הראשון עם המספר הנמוך ביותר n מתמלא ראשון. בואו נראה את זה עם דוגמה:

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

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

מכיוון שקיים שוויון בכלל n + l, הוא ממלא 4p מוקדם יותר מכיוון שמספרו n נמוך יותר.

דגם ליבה

כדי לקבל את התצורה האלקטרונית בדגם זה עליך להכיר היטב את הטבלה המחזורית. אם יש לנו את המספר האטומי ואת המיקום של היסוד בטבלה, זה חתיכת עוגה!

שיטה זו נחשבת לשיטה פשוטה מכיוון שהיא מאפשרת לא צורך לכתוב את תצורת האלקטרון המלאה. באופן זה נוכל לכתוב את שם אלמנט הגז האציל למעלה בסוגריים, ולאחר מכן את הדרך מאותו גז אציל לאלמנט המדובר. בואו נראה דוגמא:לפיכך, נכתוב את המסלול תוך התחשבות במספר התקופה (שורה של הטבלה המחזורית) ו"האזור ", ולאחר שנכתבה התצורה האלקטרונית, נחלץ את המספרים הקוונטיים.

הזרחן (P) ייכתב מהגז האצילי הקודם, כלומר הניאון:

P -> [Ne] 3s²3p³

כמובן, עליך להיזהר בשיטה זו, שכן אזורים d ו- f הם אזורים מיוחדים. כשאנחנו עושים את המסע, באזור ד לא נניח את מספר התקופה (שורה), אלא את מספר התקופה מינוס אחת. אותו דבר קורה עם אזור F, לא נניח את מספר התקופה, אלא את מספר התקופה מינוס שתיים. תוכלו להבין זאת טוב יותר עם כמה דוגמאות:

Nb -> [Kr] 5s¹4d⁴

למרות שזה בתקופה 5, כאשר אנו נמצאים באזור d, אנו מפחיתים את 1.

Nd -> [Xe] 6s²4f¹⁴

למרות שזה בתקופה 6, כאשר אנו נמצאים באזור f, אנו מפחיתים 2.

חריגים בתצורה האלקטרונית

לתצורת האלקטרונים יש כמה היבטים מיוחדים שאם אינכם מודעים אליהם יכולים להוביל להזנות ראש גדולות. אבל אל תפיצו בהלה! נספר לכם!

אזור F

אזור F מופיע בתחתית הטבלה המחזורית, אך למעשה הוא "מוטבע" בפער שאנו רואים בלבן, כלומר בין האלמנטים הראשונים והשניים של שתי השורות האחרונות של אזור D.

אתה רואה את זה? מסיבה זו, לפעמים, כאשר עלינו לכתוב את התצורה האלקטרונית של אלמנט באזור F, למשל, Nd, נצטרך לשים אלקטרון באזור D של הרמה המתאימה בהתייחס לאותו יסוד באזור D שהוא לפני הכניסה לאזור F.

Ce -> [Xe] 6s²5d¹4f¹

קבוצה 6 וקבוצה 11

מתכות המעבר של קבוצה 6 וקבוצה 11 מכילות 4 ו -9 אלקטרונים בקליפתם האחרונה, בהתאמה. לכן, כדי להיות אלמנט יציב יותר, מסלול ה- s מתרגש ומאבד אלקטרון, שעובר למסלול הבא, d. בדרך זו, מסלול ה- s יישאר עם אלקטרון; ו- d עם 5, אם הוא מרכיב מקבוצה 6, או עם 10, אם הוא רכיב מקבוצה 11.

להלן דוגמא:

Ag -> [Kr] 5s²4d⁹

ככל הנראה, זו תהיה תצורת האלקטרונים של כסף (Ag). עם זאת, כאשר מאבדים אלקטרון ממסלול ה- s, הוא נראה כך:

Ag -> [Kr] 5s¹4d¹⁰

עם זאת, ישנם יוצאים מן הכלל לכלל זה, כגון טונגסטן (קבוצה 6), שנותרה עם 2 אלקטרונים במסלול s ו -4 במסלול d.

אבל אל תדאג! אלה האופייניים ביותר (Cr, Cu, Ag ו- Au) אכן עוקבים אחר כלל זה.

אתה מבין את זה? נו. זה כל מה שאתה צריך לדעת על תצורת אלקטרונים. בואו נלך על מספרים קוונטיים!

כיצד להשיג מספרים קוונטיים

על מנת לקבל את המספרים הקוונטיים, עלינו לדעת כמה אלקטרונים נכנסים לכל מעטפת מסלולית, תוך התחשבות בשני אלקטרונים הנכנסים למסלול.

• שכבות s. יש לו רק מסלול אחד, כך שהוא יכול להכיל 2 אלקטרונים.

• שכבה עמ. יש לו 3 אורביטלים, כך שיש מקום ל -6 אלקטרונים.

• שכבה ד. יש לו 5 אורביטלים, כך שהוא יכול להכיל 10 אלקטרונים.

• שכבה ו. יש לו 7 אורביטלים, כלומר, הוא מחזיק 14 אלקטרונים.

עכשיו כשאתה מבין שיש 2 אלקטרונים בכל מסלול, כדאי שתכיר את חוקו של האנד. כלל זה אומר שכאשר ממלאים אורביטלים של אותה תת -רמה או מעטפת, למשל, מעטפת p, האלקטרונים ממלאים את המסלול בכיוון אחד (חיובי) ולאחר מכן בשני (השלילי). האם אתה רוצה לראות את זה עם דוגמה?

אם יש לנו 2p⁴כלומר, מסלול 2p בעל 4 אלקטרונים לא יתמלא כך:

זה יתמלא כך:

אתה מקבל את זה? מצוין, בואו נראה איך מחשבים את המספרים:

• מספר קוונטי n. מספר זה עולה בקנה אחד עם המספר של הרמה האחרונה של תצורת האלקטרונים. לדוגמה, אם תצורת האלקטרונים מסתיימת בשניות 4², המספר הקוונטי העיקרי יהיה 4.
• מספר קוונטי l. מספר זה תלוי בשכבה האחרונה שמולאה.
• שכבות s -> l = 0
• שכבה p -> l = 1
• שכבה ד -> l = 2
• שכבה f -> l = 3
• מספר קוונטי m. המספר m יכול להיות כל ערך בין -l ל- + l, ולכן הוא יהיה תלוי ברמת המשנה שבה נמצא האלקטרון הדיפרנציאלי, כלומר האם הוא s, p, d או f. איך לחשב את המספר הזה קצת יותר מסובך, בואו נראה אותו עם כמה שרטוטים:
• שכבות s -> כפי שראינו, ה- l שווה 0, כך שה- m יכול להיות שווה רק 0.
• שכבה p -> ה- l שווה 1, כך שה- m יכול להיות -1, 0 או 1.

• שכבה d -> ה- l הוא 2, כך שה- m יכול להיות -2, -1, 0, 1 ו -2.

• שכבה f -> l שווה 3, כך ש m יכול להיות -3, -2, -1, 0, 1, 2 ו -3.

אתה כבר יודע כיצד ממלאים את האורביטלים, כך שלמספר הקוונטי m יהיה ערך החור שבו נמצא האלקטרון האחרון המשורטט. אתה זוכר את הדוגמה הזו מלפני?:

במקרה זה, m יהיה -1, שכן במעטפת p (3 אורביטלים), אם יש 4 אלקטרונים, האחרון שימלא יהיה השלילי של המסלול הראשון.

• מספר קוונטי s. המספר הקוונטי s יכול להיות שווה רק ½ וחצי. אם האלקטרון האחרון שנמשך הוא חיובי, כלומר, החץ למעלה, ה- s יהיה ½. מצד שני, אם האלקטרון האחרון שממלא את המסלול הוא שלילי, כלומר כאשר החץ פונה כלפי מטה, ה- s יהיה -½.

תרגילים ודוגמאות

כן, אנחנו כבר יודעים שכל זה הרבה מידע, אבל אתה תבין את זה טוב יותר עם כמה דוגמאות. מתחילים!

דוגמה ל- 1

סלניום (Se) -> מספר אטומי: 34

1. אנו כותבים את תצורת האלקטרונים. אנו כותבים את תצורת האלקטרונים על פי התרשים של מולר, תוך התחשבות כי באורביטלים s, p, d ו- f יש 2, 6, 10 ו -14 אלקטרונים בהתאמה. אנו כותבים את התצורה על ידי הוספת מספר האלקטרונים, שנכתב כמעריך.

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

מכיוון שמסלול 4p אינו מתמלא, מכיוון שהאלקטרונים יסתכמו עד 36, איננו שמים 4p⁶אבל 4p⁴.

2. אנו מוציאים את המספרים הקוונטיים. לשם כך אנו בוחנים את האלקטרון הערכי או הדיפרנציאלי, כלומר האלקטרון האחרון שמילא את המסלול. במקרה זה, נסתכל על 4p⁴.
   • מספר קוונטי עיקרי. רמת האנרגיה האחרונה למלא הייתה 4.

n = 4

• מספר קוונטי משני. תת -רמת האנרגיה האחרונה שמילאה הייתה מסלול p.

l = 1

• מספר קוונטי מגנטי. אם אנו מציירים את האלקטרונים, המילוי האחרון יהיה המסלול הראשון של מעטפת p.

מ '= -1

• סיבוב מספר קוונטי. האלקטרון האחרון שתופס את מסלול p יש את החץ למטה.

s = -½

דוגמה ל- 2

זהב (Au) -> [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

• מספר קוונטי עיקרי -> n = 5
• מספר קוונטי משני -> l = 2
• מספר קוונטי מגנטי -> מ '= 2
• סיבוב מספר קוונטי -> s = -½

וזה הכל! עכשיו תורך, האם תוכל לבצע את תצורת האלקטרונים ולקבל את המספרים הקוונטיים של האלמנטים הבאים?:

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