ตัวเลขควอนตัม

ตามแบบจำลองอะตอมของ Niels Bohr โปรตอนและนิวตรอนของอะตอมอยู่ในนิวเคลียส ในขณะที่อิเล็กตรอนอยู่รอบๆ แม้ว่าเราจะไม่สามารถทราบได้ว่าอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหนกันแน่ แต่ก็มีพื้นที่ที่น่าจะพบมากที่สุด นั่นคือ ออร์บิทัลของอะตอม และเราจะกำหนดออร์บิทัลเหล่านั้นได้อย่างไร? ง่ายมาก โดยใช้ตัวเลขควอนตัม

ตัวเลขควอนตัมคืออะไร?

มี 4 ตัวเลขควอนตัม สามคนให้ข้อมูลกับเราว่าอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งอยู่ที่ไหน นั่นคือ ให้ข้อมูลเกี่ยวกับวงโคจรแก่เรา ในทางกลับกัน หมายเลขควอนตัมที่สี่ไม่ได้บอกเราว่าอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหน แต่เป็นอย่างไร คุณยังไม่ชัดเจนเกี่ยวกับเรื่องนี้หรือไม่? ไปหามัน!

• หมายเลขควอนตัมหลัก (NS). เป็นระดับพลังงานสุดท้ายที่จะเติมและระบุขนาดของวงโคจรและระยะห่างระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน ทำไม? ง่ายมาก. ยิ่งวงโคจรมีขนาดใหญ่เท่าใด อิเล็กตรอนก็จะยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสของอะตอมมากขึ้นเท่านั้น
• Azimuthal หรือเลขควอนตัมทุติยภูมิ (ล). ระบุรูปร่างของวงโคจร
• เลขควอนตัมแม่เหล็ก (NS). ระบุทิศทางของวงโคจร
• หมุนหมายเลขควอนตัม (NS). บอกว่าอิเล็กตรอนหมุนไปทางไหน

ง่ายใช่มั้ย? ลุยกันต่อกับของสำคัญ!

ตัวเลขควอนตัมได้มาอย่างไร

เพื่อให้ได้ตัวเลขควอนตัม คุณเพียงแค่ทำตาม 2 ขั้นตอนง่ายๆ:

1. เขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอน
2. หาเลขควอนตัมจากอิเล็คตรอนดิฟเฟอเรนเชียล

การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

เราเริ่มต้นด้วยขั้นตอนที่ 1 เขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอน ยังไง? มีสองวิธีในการทำ มาเริ่มกันเลย!

แผนภาพ Moeller

เทคนิคนี้ระบุลำดับของการเติม orbitals ผ่านภาพวาดต่อไปนี้:

แผนภาพนี้ควบคุมโดยหลักการของ Aufbau ซึ่งระบุว่าออร์บิทัลนั้นเต็มไปด้วยลำดับของพลังงานที่เพิ่มขึ้น กล่าวคือ ออร์บิทัลที่มีพลังงานน้อยที่สุดจะเติมก่อนหน้านี้

เพื่อหาว่าวงโคจรใดมีพลังงานมากกว่า การดำเนินการ n + l จะดำเนินการ หากการดำเนินการนี้สำหรับอะตอมที่ต่างกันสองอะตอมส่งผลให้เกิดเลขเดียวกัน เลข n ที่สูงกว่าจะมีพลังงานมากกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในกรณีที่เสมอกัน ให้เติมตัวที่มีตัวเลข n ต่ำที่สุดก่อน ลองดูด้วยตัวอย่าง:

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

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

เนื่องจากมีการเสมอกันในกฎ n + l มันจึงเติม 4p ก่อนหน้านั้นเพราะเลข n ต่ำกว่า

โมเดลเคอร์เนล

เพื่อให้ได้การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ตามแบบจำลองนี้ คุณต้องรู้จักตารางธาตุเป็นอย่างดี ถ้าเรามีเลขอะตอมและตำแหน่งของธาตุในตาราง นั่นก็เป็นเรื่องกล้วยๆ!

วิธีนี้ถือเป็นวิธีการแบบง่าย เนื่องจากช่วยให้ไม่ต้องเขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอนแบบสมบูรณ์ ด้วยวิธีนี้ เราสามารถเขียนชื่อของธาตุก๊าซมีตระกูลด้านบนในวงเล็บ และจากนั้นเส้นทางจากก๊าซมีตระกูลนั้นไปยังธาตุที่เป็นปัญหา มาดูตัวอย่างกัน:ดังนั้น เราจะเขียนวิถีโดยคำนึงถึงจำนวนของคาบ (แถวของตารางธาตุ) และ "พื้นที่" และเมื่อเขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอนแล้ว เราจะแยกตัวเลขควอนตัมออกมา

สารเรืองแสง (P) จะถูกเขียนจากก๊าซมีตระกูลก่อนหน้านั่นคือ Neon:

P -> [Ne] 3s²3p³

แน่นอน คุณต้องระวังด้วยวิธีนี้ เนื่องจากโซน d และ f เป็นโซนพิเศษ ขณะที่เราเดินทาง ในโซน d เราจะไม่ใส่จำนวนงวด (แถว) แต่จำนวนงวดลบหนึ่ง เช่นเดียวกันกับพื้นที่ F เราจะไม่ใส่จำนวนงวด แต่จำนวนงวดลบสอง คุณจะเข้าใจดีขึ้นด้วยตัวอย่างสองสามตัวอย่าง:

Nb -> [Kr] 5s¹4d⁴

แม้ว่าจะอยู่ในคาบ 5 แต่เมื่อเราอยู่ในโซน d เราลบ 1

Nd -> [Xe] 6s²4f¹⁴

แม้ว่าจะอยู่ในคาบ 6 แต่เมื่อเราอยู่ในโซน f เราลบ 2

ข้อยกเว้นในการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

การจัดโครงแบบอิเล็กตรอนมีลักษณะพิเศษสองสามประการ ซึ่งหากคุณไม่ทราบลักษณะเหล่านี้ อาจทำให้คุณมีหัวป้อนขนาดใหญ่ แต่อย่ากระจายความตื่นตระหนก! เราจะบอกคุณ!

โซน F

โซน F ปรากฏขึ้นที่ด้านล่างของตารางธาตุ แต่จริงๆ แล้ว "ฝัง" ในช่องว่างที่เราเห็นเป็นสีขาว นั่นคือระหว่างองค์ประกอบที่หนึ่งและที่สองของสองแถวสุดท้ายของโซน D

คุณเห็นมันไหม ด้วยเหตุนี้ บางครั้ง เมื่อเราต้องเขียนโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบในโซน F เช่น Nd เราจะต้องใส่อิเล็กตรอนในโซน D ของระดับที่สอดคล้องกันในการอ้างอิงถึงองค์ประกอบนั้นในโซน D นั่นคือ ก่อนเข้าโซน F.

Ce -> [Xe] 6s²5d¹4f¹

กลุ่ม 6 และกลุ่ม 11

โลหะทรานซิชันกลุ่มที่ 6 และกลุ่มที่ 11 มีอิเล็กตรอน 4 และ 9 ในเปลือกสุดท้ายตามลำดับ ดังนั้น เพื่อเป็นองค์ประกอบที่มีเสถียรภาพมากขึ้น s ออร์บิทัลจะตื่นเต้นและสูญเสียอิเล็กตรอนซึ่งส่งผ่านไปยังออร์บิทัลถัดไป d ด้วยวิธีนี้ s ออร์บิทัลจะเหลืออิเล็กตรอน และ d ด้วย 5 ถ้าเป็นองค์ประกอบของกลุ่ม 6 หรือ 10 ถ้าเป็นองค์ประกอบของกลุ่ม 11

นี่คือตัวอย่าง:

Ag -> [Kr] 5s²4d⁹

เห็นได้ชัดว่านี่คือการกำหนดค่าอิเล็กตรอนของเงิน (Ag) อย่างไรก็ตามการสูญเสียอิเล็กตรอนจากวงโคจรจะมีลักษณะดังนี้:

Ag -> [Kr] 5s¹4d¹⁰

อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ เช่น ทังสเตน (กลุ่ม 6) ซึ่งเหลืออิเล็กตรอน 2 ตัวในวงโคจร s และ 4 ตัวในวงโคจร d

แต่ไม่ต้องกังวล คนทั่วไปส่วนใหญ่ (Cr, Cu, Ag และ Au) ปฏิบัติตามกฎนี้

คุณเข้าใจไหม? ดี. นั่นคือทั้งหมดที่คุณต้องรู้เกี่ยวกับการกำหนดค่าอิเล็กตรอน ไปหาตัวเลขควอนตัมกันเถอะ!

วิธีรับตัวเลขควอนตัม

เพื่อให้ได้ตัวเลขควอนตัม เราต้องรู้ว่ามีอิเล็กตรอนกี่ตัวที่พอดีกับเปลือกออร์บิทัลแต่ละอัน โดยพิจารณาว่าอิเล็กตรอน 2 ตัวพอดีในออร์บิทัล

• ชั้น s. มีออร์บิทัลเพียง 2 ออร์บิทัล จึงสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ XNUMX ตัว

• เลเยอร์ p. มี 3 ออร์บิทัล จึงมีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอน 6 ตัว

• เลเยอร์d. มีออร์บิทัล 5 ออร์บิทัล จุอิเล็กตรอนได้ 10 อิเล็กตรอน

• เลเยอร์f. มี 7 ออร์บิทัล นั่นคือ จุอิเล็กตรอนได้ 14 อิเล็กตรอน

เมื่อคุณเข้าใจแล้วว่าอิเล็กตรอน 2 ตัวพอดีในแต่ละออร์บิทัล คุณต้องรู้กฎของฮันด์ กฎข้อนี้กล่าวว่าเมื่อเติมออร์บิทัลของระดับย่อยหรือเชลล์เดียวกัน ตัวอย่างเช่น p เชลล์ อิเล็กตรอนจะเติมออร์บิทัลในทิศทางเดียว (บวก) จากนั้นในอีกทางหนึ่ง (เชิงลบ) คุณต้องการดูตัวอย่างหรือไม่?

ถ้าเรามี 2p⁴นั่นคือวงโคจร 2p ที่มี 4 อิเล็กตรอนจะไม่เติมดังนี้:

มันจะเติมดังนี้:

คุณได้รับมัน? เยี่ยมมาก เรามาดูวิธีการคำนวณตัวเลขกัน:

• หมายเลขควอนตัม n. ตัวเลขนี้ตรงกับจำนวนระดับสุดท้ายของการกำหนดค่าอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น หากการกำหนดค่าอิเล็กตรอนสิ้นสุดใน 4s²เลขควอนตัมหลักจะเป็น 4
• หมายเลขควอนตัม l. ตัวเลขนี้ขึ้นอยู่กับเลเยอร์สุดท้ายที่เติม
• เลเยอร์ s -> l = 0
• เลเยอร์ p -> l = 1
• เลเยอร์ d -> l = 2
• เลเยอร์ f -> l = 3
• ควอนตัมจำนวน ม. ตัวเลข m สามารถเป็นค่าใดก็ได้ระหว่าง -l ถึง + l ดังนั้นมันจะขึ้นอยู่กับระดับย่อยที่อิเลคตรอนส่วนต่างคือ s, p, d หรือ f วิธีคำนวณตัวเลขนี้ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยลองดูด้วยภาพวาดสองสามแบบ:
• เลเยอร์ s -> ดังที่เราได้เห็นแล้วว่า l มีค่าเป็น 0 ดังนั้น m จึงมีค่าเท่ากับ 0 เท่านั้น
• Layer p -> l มีค่าเท่ากับ 1 ดังนั้น m สามารถเป็น -1, 0 หรือ 1

• เลเยอร์ d -> l คือ 2 ดังนั้น m อาจเป็น -2, -1, 0, 1 และ 2

• เลเยอร์ f -> l มีค่า 3 ดังนั้น m สามารถเป็น -3, -2, -1, 0, 1, 2 และ 3

คุณรู้อยู่แล้วว่าออร์บิทัลถูกเติมอย่างไร ดังนั้นเลขควอนตัม m จะมีค่าเท่ากับรูที่อิเล็กตรอนถูกดึงตัวสุดท้ายออกมา คุณจำตัวอย่างนี้เมื่อก่อนได้ไหม :

ในกรณีนี้ m จะเป็น -1 เนื่องจากในเปลือก p (3 ออร์บิทัล) หากมีอิเล็กตรอน 4 ตัว อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่เติมจะเป็นค่าลบของออร์บิทัลแรก

• จำนวนควอนตัม s. ตัวเลขควอนตัม s มีค่าเท่ากับ ½ และ -½ เท่านั้น ถ้าอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายออกมาเป็นค่าบวก นั่นคือ ลูกศรขึ้น s จะเป็น ½ ในทางกลับกัน ถ้าอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่เต็มวงโคจรเป็นลบ นั่นคือ เมื่อลูกศรชี้ลง s จะเป็น -½

แบบฝึกหัดและตัวอย่าง

ใช่ เรารู้แล้วว่าทั้งหมดนี้เป็นข้อมูลจำนวนมาก แต่คุณจะเข้าใจได้ดีขึ้นด้วยตัวอย่างบางส่วน ไปเลย!

ตัวอย่าง 1

ซีลีเนียม (Se) -> เลขอะตอม: 34

1. เราเขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอน เรากำลังเขียนการกำหนดค่าอิเล็กตรอนตามแผนภาพ Moeller โดยคำนึงถึงว่าออร์บิทัล s, p, d และ f มี 2, 6, 10 และ 14 อิเล็กตรอนตามลำดับ เรากำลังเขียนการกำหนดค่าโดยการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนซึ่งเขียนเป็นเลขชี้กำลัง

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

เนื่องจากออร์บิทัล 4p ไม่เติม เนื่องจากอิเล็กตรอนจะรวมกันได้ 36 เราจึงไม่ใส่ 4p⁶แต่ 4p⁴.

2. เราเอาเลขควอนตัมออกมา ในการทำเช่นนี้ เราจะดูที่เวเลนซ์หรือดิฟเฟอเรนเชียลอิเล็กตรอน นั่นคือ อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่เต็มออร์บิทัล ในกรณีนี้เราจะดูที่ 4p⁴.
   • หมายเลขควอนตัมหลัก ระดับพลังงานสุดท้ายที่จะเติมคือ 4

n = 4

• หมายเลขควอนตัมรอง ระดับย่อยของพลังงานสุดท้ายที่จะเติมคือ p ออร์บิทัล

ล. = 1

• หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก หากเราวาดอิเล็กตรอน ตัวสุดท้ายที่เติมจะเป็นวงโคจรแรกของเปลือก p

ม. = -1

• หมุนหมายเลขควอนตัม อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่ครอบครอง p orbital มีลูกศรลง

s = -½

ตัวอย่าง 2

ทอง (Au) -> [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

• หมายเลขควอนตัมหลัก -> n = 5
• หมายเลขควอนตัมรอง -> ล. = 2
• เลขควอนตัมแม่เหล็ก -> ม. = 2
• หมุนหมายเลขควอนตัม -> s = -½

และนั่นคือทั้งหมด! ตอนนี้ถึงตาคุณแล้ว คุณช่วยจัดโครงอิเล็กตรอนและรับเลขควอนตัมขององค์ประกอบต่อไปนี้ได้ไหม:

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