Kvantni brojevi i elektronske orbitale

Kemija je uglavnom proučavanje interakcije elektrona između atoma i molekula. Razumijevanje ponašanja elektrona u nekom atomu, kao što su Aufbau princip, važan je dio razumijevanja kemijske reakcije. Rane atomske teorije koristio je ideju da elektron jednog atoma slijedi ista pravila kao mini solarni sustav u kojem su planeti elektroni koji kruže oko središnjeg protonskog sunca. Električne privlačne sile mnogo su jače od gravitacijskih sila, ali slijede ista osnovna obrnuta pravila za udaljenost. Rana promatranja pokazala su da se elektroni kreću više kao oblak koji okružuje jezgro, a ne kao pojedinačni planet. Oblik oblaka ili orbitala ovisio je o količini energije, kutni zamah i magnetski trenutak pojedinog elektrona. Svojstva atoma konfiguracija elektrona opisuju ih četiri kvantni brojevi: n, ℓ, m, i a.

Prva je energetska razina kvantni broj, n. U orbiti su orbite niže energije blizu izvora privlačenja. Što više energije dajete tijelu u orbiti, to dalje ide i van. Ako tijelu date dovoljno energije, on će u potpunosti napustiti sustav. Isto vrijedi i za orbital elektrona. Više vrijednosti od

drugi kvantni broj je kutni kvantni broj, ℓ. Svaka vrijednost n ima više vrijednosti nging u vrijednosti od 0 do (n-1). Ovaj kvantni broj određuje "oblik" oblak elektrona. U kemiji postoje imena za svaku vrijednost ℓ. Prva vrijednost, ℓ = 0 naziva se s orbitalom. orbite su sferične, centrirane u jezgri. Drugi, ℓ = 1 naziva se p orbitalom. P orbitale su obično polarne i tvore oblik latice suze s točkom prema jezgri. ℓ = 2 orbitala naziva se d orbitala. Te su orbitale slične p orbitalnom obliku, ali s više 'latica' poput djeteline. Također mogu imati prstenaste oblike oko baze latica. Sljedeća orbitala naziva se ℓ = 3 f orbitala. Te orbitale obično izgledaju slično d orbitalama, ali s još više "latica". Veće vrijednosti ℓ imaju imena koja slijede abecednim redom.

Treći kvantni broj je magnetski kvantni broj, m. Ti su brojevi prvi put otkriveni spektroskopijom kada su plinoviti elementi bili izloženi magnetskom polju. Spektralna linija koja odgovara određenoj orbiti podijelila bi se u više linija kada bi se magnetsko polje uvelo preko plina. Broj podijeljenih linija odnosio bi se na kvantni broj kutova. Ovaj odnos pokazuje za svaku vrijednost ℓ odgovarajući skup vrijednosti od m nalazi se u rasponu od -ℓ do ℓ. Ovaj broj određuje orbitalnu orijentaciju u prostoru. Na primjer, p orbitale odgovaraju ℓ = 1, može imati m vrijednosti -1,0,1. Ovo bi predstavljalo tri različite orijentacije u prostoru za dvostruke latice p orbitalnog oblika. Obično su definirani kao p_x, str_y, str_z predstavljati osi po kojima se poravnavaju.

Četvrti kvantni broj je spin kvant broj, a. Postoje samo dvije vrijednosti za a, + ½ i ½. Nazivaju se još i „spin up“ i „spin down“. Ovaj se broj koristi za objašnjenje ponašanja pojedinih elektrona kao da se vrte u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom. Važan dio orbitala je činjenica da svaka vrijednost m ima dva elektrona i potreban im je način kako ih razlikovati jedan od drugog.

Ova četiri broja, n, ℓ, m, i a može se koristiti za opisivanje elektrona u stabilnom atomu. Kvantni brojevi svakog elektrona jedinstveni su i ne mogu ih dijeliti drugi elektroni u tom atomu. Ovo se svojstvo naziva Načelo isključenja iz Paulija. Stabilni atom ima onoliko elektrona koliko i protona. Pravila koja elektroni slijede da se orijentiraju oko svog atoma su jednostavna kada se razumiju pravila koja upravljaju kvantnim brojevima.

• n može imati vrijednosti cijelog broja: 1, 2, 3, ...
• Za svaku vrijednost n, ℓ može imati cjelobrojne vrijednosti od 0 do (n-1)
• m može imati bilo koju vrijednost cijelog broja, uključujući nulu, od -ℓ do + ℓ
• a može biti ili ½ ili -½