Квантовые числа

Согласно атомной модели Нильса Бора, протоны и нейтроны атома находятся в ядре, а электроны - вокруг него. Хотя мы не можем знать, где именно находится электрон, есть области, где он, скорее всего, может быть обнаружен, - атомные орбитали. И как мы можем определить эти орбитали? Очень просто, используя квантовые числа.

Какие квантовые числа?

Есть 4 квантовых числа. Три из них дают нам информацию о том, где находится электрон определенного атома, то есть они дают нам информацию об орбитали. С другой стороны, четвертое квантовое число говорит нам не о том, где находится электрон, а о том, как это сделать. Вы все еще не очень понимаете это? Действуй!

• Главное квантовое число (п). Это последний энергетический уровень, который необходимо заполнить, и он указывает размер орбитали и, следовательно, расстояние между ядром и электроном. Почему? Очень просто. Чем больше орбиталь, тем дальше электрон может быть от ядра атома.
• Азимутальное или вторичное квантовое число (л). Укажите форму орбиты.
• Магнитное квантовое число (м). Указывает ориентацию орбиты.
• Спиновое квантовое число (s). Скажите, в какую сторону вращается электрон.

Легко, правда? Пойдем с важным!

Как получаются квантовые числа

Чтобы получить квантовые числа, вам просто нужно выполнить 2 простых шага:

1. Напишите электронную конфигурацию.
2. Получите квантовые числа от дифференциального электрона (последнего, заполняющего орбиталь).

Электронная конфигурация

Начнем с шага 1, запишем электронную конфигурацию. Как? Есть два способа сделать это, давайте перейдем к делу!

Диаграмма Меллера

Этот метод указывает порядок заполнения орбиталей с помощью следующего рисунка:

Эта диаграмма подчиняется принципу Ауфбау, который утверждает, что орбитали заполняются в порядке возрастания энергии, то есть орбиталь с наименьшей энергией заполняется раньше.

Чтобы узнать, какая орбиталь имеет больше энергии, выполняется операция n + l. Если эта операция для двух разных атомов приводит к одному и тому же числу, тот, у которого номер n больше, будет иметь больше энергии. Другими словами, в случае ничьей первым заполняется тот, у кого наименьший номер n. Посмотрим на это на примере:

4р: п + 4 -> 1 + 5 = XNUMX

5с: n + l -> 5 + 0 = 5

Поскольку в правиле n + l есть ничья, оно заполняет 4p раньше, потому что его номер n меньше.

Модель ядра

Чтобы получить электронную конфигурацию, соответствующую этой модели, вы должны очень хорошо знать таблицу Менделеева. Если у нас есть атомный номер и положение элемента в таблице, это совсем несложно!

Этот метод считается упрощенным, поскольку он позволяет не записывать полную электронную конфигурацию. Таким образом, мы можем записать название благородного газа выше в скобках, а затем путь от этого благородного газа до рассматриваемого элемента. Посмотрим на пример:Таким образом, мы запишем траекторию с учетом номера периода (строки периодической таблицы) и «зоны» и, как только электронная конфигурация будет написана, мы извлечем квантовые числа.

Люминофор (P) будет записан из предыдущего благородного газа, то есть неона:

P -> [Ne] 3 с²3p³

Конечно, с этим методом нужно быть осторожным, так как зоны d и f - особые зоны. Во время путешествия в зону d мы будем ставить не номер периода (строки), а номер периода минус один. То же самое и с областью F, мы будем ставить не номер периода, а номер периода минус два. Вы поймете это лучше на нескольких примерах:

Nb -> [Kr] 5s¹4d⁴

Хотя это период 5, когда мы находимся в зоне d, мы вычитаем 1.

Nd -> [Xe] 6s²4f¹⁴

Хотя это период 6, когда мы находимся в зоне f, мы вычитаем 2.

Исключения в электронной конфигурации

Электронная конфигурация имеет несколько особенностей, которые, если вы не знаете о них, могут привести к большим головным фидерам. Но не паникуйте! Мы вам расскажем!

Зона F

Зона F появляется в нижней части таблицы Менделеева, но на самом деле она «встроена» в промежуток, который мы видим белым, то есть между первым и вторым элементами двух последних строк зоны D.

Ты видишь это? По этой причине иногда, когда нам нужно записать электронную конфигурацию элемента в зоне F, например, Nd, нам придется поместить электрон в зону D соответствующего уровня относительно того элемента в зоне D, который является перед входом в зону F.

Ce -> [Xe] 6s²5d¹4f¹

Группа 6 и Группа 11

Переходные металлы группы 6 и группы 11 имеют 4 и 9 электронов на последних оболочках соответственно. Следовательно, чтобы быть более стабильным элементом, s-орбиталь возбуждается и теряет электрон, который переходит на следующую орбиталь, d. Таким образом, на s-орбитали останется электрон; и d с 5, если это элемент группы 6, или с 10, если это элемент группы 11.

Вот пример:

Ag -> [Kr] 5s²4d⁹

По-видимому, это была бы электронная конфигурация серебра (Ag). Однако потеря электрона с s-орбитали выглядит так:

Ag -> [Kr] 5s¹4d¹⁰

Однако есть исключения из этого правила, такие как вольфрам (группа 6), у которого остается 2 электрона на s-орбитали и 4 электрона на d-орбитали.

Но не волнуйтесь! Наиболее типичные из них (Cr, Cu, Ag и Au) подчиняются этому правилу.

Ты понял? Хорошо. Это все, что вам нужно знать об электронной конфигурации. Пойдем за квантовыми числами!

Как получить квантовые числа

Чтобы получить квантовые числа, мы должны знать, сколько электронов помещается на каждой орбитальной оболочке, принимая во внимание, что 2 электрона помещаются на орбитали.

• Слой s. У него только одна орбиталь, поэтому он может удерживать 2 электрона.

• Слой p. У него 3 орбитали, поэтому есть место для 6 электронов.

• Слой d. У него 5 орбиталей, поэтому он может удерживать 10 электронов.

• Слой f. У него 7 орбиталей, то есть он может удерживать 14 электронов.

Теперь, когда вы понимаете, что на каждой орбитали есть 2 электрона, вы должны знать правило Хунда. Это правило гласит, что при заполнении орбиталей одного и того же подуровня или оболочки, например, p-оболочки, электроны заполняют орбиталь в одном направлении (положительном), а затем в другом (отрицательном). Хотите увидеть это на примере?

Если у нас есть 2p⁴, то есть 2p-орбиталь с 4 электронами, не будет заполняться следующим образом:

Он будет заливаться так:

Вы это понимаете? Отлично, посмотрим, как считать числа:

• Квантовое число n. Это число совпадает с номером последнего уровня электронной конфигурации. Например, если электронная конфигурация заканчивается через 4 с², главное квантовое число будет 4.
• Квантовое число l. Это число зависит от последнего залитого слоя.
• Слой s -> l = 0
• Слой p -> l = 1
• Слой d -> l = 2
• Слой f -> l = 3
• Квантовое число m. Число m может быть любым значением от -l до + l, поэтому оно будет зависеть от подуровня, на котором находится дифференциальный электрон, то есть от того, является ли он s, p, d или f. Как вычислить это число немного сложнее, давайте посмотрим на это на паре рисунков:
• Слой s -> Как мы видели, l имеет значение 0, поэтому m может иметь значение только 0.
• Слой p -> l стоит 1, поэтому m может быть -1, 0 или 1.

• Слой d -> l равно 2, поэтому m может быть -2, -1, 0, 1 и 2.

• Слой f -> l стоит 3, поэтому m может быть -3, -2, -1, 0, 1, 2 и 3.

Вы уже знаете, как заполняются орбитали, поэтому квантовое число m будет иметь значение дыры, в которой находится последний нарисованный электрон. Вы помните этот пример раньше ?:

В этом случае m будет -1, так как в p-оболочке (3 орбитали), если есть 4 электрона, последний, который заполнится, будет отрицательным по отношению к первой орбитали.

• Квантовое число s. Квантовое число s может иметь значение только ½ и –½. Если последний нарисованный электрон положительный, то есть стрелка вверх, s будет ½. С другой стороны, если последний электрон, заполнивший орбиталь, отрицателен, то есть со стрелкой, направленной вниз, s будет -½.

Упражнения и примеры

Да, мы уже знаем, что все это много информации, но вы поймете это лучше на некоторых примерах. Вот так!

Пример 1

Селен (Se) -> Атомный номер: 34

1. Записываем электронную конфигурацию. Мы записываем электронную конфигурацию согласно диаграмме Меллера, учитывая, что s, p, d и f орбитали имеют 2, 6, 10 и 14 электронов соответственно. Мы записываем конфигурацию, добавляя количество электронов, которое записывается в виде экспоненты.

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

Поскольку орбиталь 4p не заполняется, поскольку сумма электронов составит 36, мы не ставим 4p⁶но 4p⁴.

2. Вынимаем квантовые числа. Для этого мы смотрим на валентный или дифференциальный электрон, то есть последний электрон, заполнивший орбиталь. В этом случае мы будем смотреть на 4p⁴.
   • Главное квантовое число. Последний уровень энергии, который нужно заполнить, был 4.

п = 4

• Вторичное квантовое число. Последним заполняемым энергетическим подуровнем была p-орбиталь.

l = 1

• Магнитное квантовое число. Если мы рисуем электроны, последняя заполнится первой орбиталью p-оболочки.

м = -1

• Спиновое квантовое число. Последний электрон, занявший p-орбиталь, имеет стрелку вниз.

s = -½

Пример 2

Золото (Au) -> [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

• Главное квантовое число -> N = 5
• Вторичное квантовое число -> l = 2
• Магнитное квантовое число -> м = 2
• Квантовое число спина -> s = -½

И это все! Теперь ваша очередь, не могли бы вы выполнить конфигурацию электронов и получить квантовые числа следующих элементов?:

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