Liczby kwantowe w chemii to zbiory liczb opisujące orbitę i ruch elektronu w atomie. Kiedy liczby kwantowe wszystkich elektronów w danym atomie zostaną zsumowane, muszą spełniać Równanie Schrodingera .

Liczby kwantowe to zbiór liczb używanych do opisania położenia i energii elektronu w atomie. Istnieją cztery rodzaje liczb kwantowych: główne, azymutalne, magnetyczne i spinowe. Liczby kwantowe reprezentują wartości zachowanych wielkości układu kwantowego.

Przyjrzyjmy się szczegółowo wszystkim liczbom kwantowym w tym artykule.

Spis treści

• Co to są liczby kwantowe?
• Rodzaje liczb kwantowych
• Znaczenie liczb kwantowych
• Orbita atomowa
• Inne prawa związane z położeniem i ścieżką elektronów

Co to są liczby kwantowe?

Liczby kwantowe to zbiór wartości stałych w podejściu kwantowym. Liczby kwantowe lub Elektroniczne liczby kwantowe opisują elektron za pomocą wartości liczbowych, które zapewniają rozwiązania równania falowego Schrodingera dla atomów wodoru. Liczby te mogą określić położenie, energię i orientację elektronu w atomie za pomocą zestawu liczb.

framework kolekcji Java

Według Zasada wykluczenia Pauliego , żadne dwa elektrony w atomie nie mogą mieć tego samego zestawu liczb kwantowych. Do scharakteryzowania każdej liczby kwantowej używa się wartości półcałkowitej lub całkowitej. Główne, azymutalne i magnetyczne liczby kwantowe są odpowiednio powiązane z rozmiarem, kształtem i orientacją atomu.

Aby w pełni opisać wszystkie właściwości danego elektronu w atomie, można zastosować cztery liczby kwantowe; to są:

1. Główna liczba kwantowa
2. Orbitalna liczba kwantowa momentu pędu (lub azymutalna liczba kwantowa).
3. Magnetyczna liczba kwantowa
4. Liczba kwantowa spinu elektronu

Rodzaje liczb kwantowych

Aby w pełni opisać wszystkie cechy elektronu w atomie, stosuje się cztery liczby kwantowe. Te liczby kwantowe to:

• Główna liczba kwantowa (n)
• Azymutalna liczba kwantowa (l)
• Magnetyczna liczba kwantowa (m_l)
• Liczba kwantowa spinu elektronu (s)

Główna liczba kwantowa (n)

Symbol „n” reprezentuje główne liczby kwantowe. Oznaczają pierwotną powłokę elektronową atomu. Ponieważ opisuje najbardziej prawdopodobną odległość między jądrem a elektronami, większa wartość głównej liczby kwantowej oznacza większą odległość między elektronem a jądrem (co z kolei oznacza większy rozmiar atomu).

• Wartość głównej liczby kwantowej może być dowolną liczbą całkowitą o wartości dodatniej równej lub większej niż jeden. Wartość n=1 oznacza najbardziej wewnętrzną powłokę elektronową atomu, która odpowiada najniższemu stanowi energetycznemu elektronu (lub stanowi podstawowemu).
• W rezultacie główna liczba kwantowa n nie może mieć wartości ujemnej ani być równa zeru, ponieważ atom nie może mieć wartości ujemnej ani nie może mieć żadnej wartości dla powłoki głównej.
• Kiedy elektron jest nasycony energią (stan wzbudzony), elektron przeskakuje z jednej powłoki głównej na wyższą, powodując wzrost wartości n.
• Podobnie, gdy elektrony tracą energię, wracają na niższe powłoki, obniżając wartość n. Absorpcja odnosi się do wzrostu wartości n dla elektronu, podkreślając fotony lub energię pochłoniętą przez elektron.
• Podobnie spadek wartości n dla elektronu nazywany jest emisją i w tym miejscu elektrony emitują swoją energię.

Azymutalna liczba kwantowa (l) – orbitalna liczba kwantowa momentu pędu

Azymutalna liczba kwantowa (lub orbitalny moment pędu) opisuje kształt orbitalu. Jest on reprezentowany przez literę „l”, a jego wartość jest równa całkowitej liczbie węzłów kątowych orbity.

• Wartość azymutalnej liczby kwantowej może oznaczać podpowłokę s, p, d lub f, której kształty są różne.
• Wartość ta jest wyznaczana (i ograniczana) przez wartość głównej liczby kwantowej, tj. azymutalnej liczby kwantowej mieści się w przedziale od 0 do (n-1).
• Na przykład, jeśli n = 3, azymutalna liczba kwantowa może mieć trzy wartości: 0, 1 i 2.
• Gdy l jest ustawione na zero, wynikowa podpowłoka jest podpowłoką „s”.
• Gdy l=1 i l=2, powstałe podpowłoki są odpowiednio (odpowiednio) podpowłokami „p” i „d”.
• W rezultacie, gdy n=3, mogą istnieć trzy podpowłoki: 3s, 3p i 3d. W innym przypadku, gdy n = 5, możliwe wartości l to 0, 1, 2, 3 i 4. Jeśli l = 3, atom zawiera trzy węzły kątowe.

Magnetyczna liczba kwantowa (m_l)

Magnetyczna liczba kwantowa określa całkowitą liczbę orbitali w podpowłoce oraz ich orientację. Jest reprezentowany przez symbol „m”._l.’ Liczba ta reprezentuje rzut momentu pędu orbity wzdłuż danej osi.

• Magnetyczna liczba kwantowa jest określana przez azymutalną (lub orbitalny moment pędu) liczbę kwantową.
• Dla danej wartości l wartość m_lmieści się w przedziale od -l do +l. W rezultacie jest to pośrednio zależne od wartości n.
• Na przykład, jeśli w atomie n = 4 i l = 3, magnetyczna liczba kwantowa może wynosić -3, -2, -1, 0, +1, +2 i +3. Całkowita liczba orbitali w danej podpowłoce jest określona przez wartość „l” orbitalu.
• Oblicza się go za pomocą wzoru (2l + 1). Na przykład podpowłoka „3d” (n=3, l=2) ma 5 orbitali (2*2 + 1). Każdy orbital może pomieścić dwa elektrony. W rezultacie podpowłoka 3d może pomieścić łącznie 10 elektronów.

Liczba kwantowa spinu elektronu (s)

Liczba kwantowa spinu elektronu jest niezależna od n, l i m_lwartości. Wartość tej liczby, oznaczona symbolem m_S, wskazuje kierunek wirowania elektronu.

• Ich_Swartość wskazuje kierunek wirowania elektronu. Liczba kwantowa spinu elektronu może przyjmować wartości od +1/2 do -1/2.
• Dodatnia wartość m_Soznacza spin w górę elektronu, znany również jako spin w górę.
• Jeśli m_Sjest ujemny, mówi się, że dany elektron ma spin w dół lub w dół.
• Wartość liczby kwantowej spinu elektronu określa, czy dany atom może generować pole magnetyczne. Wartość m_Smożna uogólnić do ±½.

Znaczenie liczb kwantowych

Liczby kwantowe są istotne, ponieważ można je wykorzystać do oszacowania konfiguracji elektronowej atomu i miejsca, w którym elektrony są najprawdopodobniej zlokalizowane. Promień atomowy i energia jonizacji atomów, oprócz innych właściwości, są również określane przez liczby kwantowe.

Każda liczba kwantowa ma swoje własne znaczenie, które opisano w poniższej tabeli:

Orbita atomowa

Jak wiemy, że elektrony zachowują się jak fale, a położenie elektronu wewnątrz atomu można łatwo określić za pomocą falowej teorii mechaniki kwantowej, rozwiązując równanie falowe Schrodingera na określonym poziomie energii atomu.

Te funkcje falowe, które definiują położenie elektronu wewnątrz atomu, nazywane są orbitalami atomowymi. Orbitale te są miejscami, w których istnieje największe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu. Wewnątrz atomu występują cztery rodzaje orbitali

• s – orbitalny
• p – orbitalny
• d – orbitalny
• f – orbitalny

Orbitale atomowe definiuje się również jako przestrzeń fizyczną wewnątrz atomu, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest największe.

Czytaj więcej:

• Elektroniczna konfiguracja elementów
• Wypełnianie orbitali w atomie
• Kształty orbitali atomowych

Inne prawa związane z pozycją i ścieżką elektronów

Trzy inne zasady i zasady chemii pomagają nam zrozumieć położenie, ścieżkę, orbity i poziomy energii elektronów w atomie, zostaną one omówione w kolejnych podrozdziałach:

Zasada struktury

Zasada Aufbau, zwana także regułą Aufbau, mówi, że elektrony najpierw przechodzą na orbitale atomowe o niższej energii, a dopiero potem na orbitale o wyższej energii. Aufbau oznacza po niemiecku budowanie.

NCERT Definicja zasady struktury

W stanie podstawowym atomów orbitale są zapełniane według rosnącej energii.

mnożenie macierzy w c

The Zasada budowy pomaga nam dowiedzieć się, jak elektrony układają się w atomy lub jony. Na przykład podpowłoka 1s zostaje zapełniona przed podpowłoką 2s.

Oto kolejność, w jakiej elektrony wypełniają orbitale: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p i itd. Ten wzór wypełnienia dotyczy każdego atomu.

Dla przykład , korzystając z zasady Aufbau, konfiguracja elektronowa siarki jest napisane jako [S] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.

Reguła Hunda maksymalnej krotności

Reguła Hunda mówi, że każdy orbital w podpoziomie otrzymuje jeden elektron, zanim którykolwiek z nich otrzyma drugi. Wszystkie elektrony na tych orbitali z pojedynczym zajęciem mają ten sam spin.

NCERT Definicja reguły Hunda

Parowanie elektronów na orbitali należących do tej samej podpowłoki (p, d lub f) nie następuje, dopóki każdy orbital należący do tej podpowłoki nie będzie miał po jednym elektronie, czyli będzie zajęty pojedynczo.

Reguła Hunda, zwana także zasadą maksymalnej krotności, może skutkować tym, że atomy będą miały wiele niesparowanych elektronów. Te niesparowane elektrony mogą wirować w różnych kierunkach, tworząc momenty magnetyczne w różnych kierunkach.

Reguła Hunda dotyczy pewnych cząsteczek, które mają niesparowane elektrony.

Zasada wykluczenia Pauliego

Zasada wykluczenia Pauliego mówi, że dwie identyczne cząstki o spinach półcałkowitych nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym w układzie.

NCERT Definicja zasady wykluczenia Pauliego

Żadne dwa elektrony w atomie nie mogą mieć tego samego zestawu czterech liczb kwantowych.

LUB

Na tym samym orbicie mogą znajdować się tylko dwa elektrony i elektrony te muszą mieć przeciwny spin.

W chemii tzw Zasada wykluczenia Pauliego mówi nam, że w tym samym atomie żadne dwa elektrony nie mogą mieć identycznych wszystkich czterech liczb kwantowych. Oznacza to, że co najwyżej dwa elektrony mogą zajmować ten sam orbital i muszą mieć przeciwne spiny.

Zasada wykluczenia Pauliego wyznacza limity liczby elektronów, które mogą znajdować się na powłoce lub podpowłoce.

Rozwiązane pytania dotyczące liczb kwantowych

Pytania 1: Znajdź wszystkie cztery liczby kwantowe ostatniego elektronu rubidu.

Rozwiązanie:

Rubid ma liczbę atomową Z = 37.

Konfiguracja elektroniczna rubidu,

1s²2s²14:00⁶3s²15:00⁶3d¹⁰4s²16:00⁶5s¹

Ostatni elektron powłoki walencyjnej to 5s¹

Dlatego,

Główna liczba kwantowa, n = 5,

Azymutalna liczba kwantowa, l = 0,

Magnetyczna liczba kwantowa, m_l= 0,

Spinowa liczba kwantowa, s = +1/2

Zadania 2: Podaj możliwe wartości magnetycznej liczby kwantowej dla l = 2.

Rozwiązanie:

Biorąc to pod uwagę, azymutalna liczba kwantowa l = 2

Wiemy to,

M_l= – l do + l

Dlatego,

M_l= -2 do +2

tj.

M₂= -2, -1, 0, +1, +2

Pytania 3: Znajdź wszystkie cztery liczby kwantowe ostatniego elektronu sodu.

główny Java

Rozwiązanie:

Sód ma liczbę atomową Z = 11.

Konfiguracja elektroniczna rubidu,

1s²2s²14:00⁶3s¹

Ostatni elektron powłoki walencyjnej to 3s¹

Dlatego,

Główna liczba kwantowa, n = 3,

Azymutalna liczba kwantowa, l = 0,

Magnetyczna liczba kwantowa, m_l= 0,

sortowanie bąbelkowe

Spinowa liczba kwantowa, s = +1/2

Zadania 4: Podaj możliwe wartości magnetycznej liczby kwantowej dla l = 3.

Rozwiązanie:

Biorąc to pod uwagę, azymutalna liczba kwantowa l = 3

Wiemy to,

dla l = 3,

M_l= – 3 do + 3

tj.

m = -3 , -2, -1, 0, +1, +2 +3

Problemy praktyczne dotyczące liczb kwantowych MCQ

Aby dowiedzieć się więcej o praktyce liczb kwantowych MCQ dotyczące liczb ilościowych

Często zadawane pytania dotyczące liczb kwantowych

Zdefiniuj liczby kwantowe.

Zbiór liczb używany do określenia położenia i energii liczby elektronów w atomie nazywany jest liczbami kwantowymi.

Ile jest liczb kwantowych?

Cztery liczby kwantowe to:

• Główna liczba kwantowa (n)
• Azymutalna liczba kwantowa (l)
• Magnetyczna liczba kwantowa (m_l)
• Liczba kwantowa spinu elektronu (s)

Która liczba kwantowa określa kształt orbitalu?

Azymutalna liczba kwantowa (l), zwana także kątową liczbą kwantową, określa kształt orbitalu.

Która liczba kwantowa określa orientację orbitalu?

Magnetyczna liczba kwantowa (m_l) służy do przedstawienia orientacji orbity w przestrzeni trójwymiarowej.

Ile liczb kwantowych potrzeba do określenia orbitalu?

Aby określić orbital atomu, potrzebne są trzy liczby kwantowe:

• Główna liczba kwantowa (n)
• Azymutalna liczba kwantowa (l)
• Magnetyczna liczba kwantowa (m_l)

Która liczba kwantowa określa energię elektronu?

Energię elektronu można łatwo określić, korzystając z głównej liczby kwantowej (n) i azymutalnej liczby kwantowej (l) elektronu.

Co to jest energia kwantowa?

Energia cząstek kwantowych (tj. bardzo, bardzo małych cząstek) nazywana jest energią kwantową. Jednym ze sposobów pomiaru energii kwantowej jest użycie fotonu, który jest najmniejszą jednostką do pomiaru energii świetlnej i energii innych fal elektromagnetycznych.

Co to jest spin elektronu?

Spin elektronu jest kwantową właściwością elektronów. Jest to kształt posiadający moment pędu. W ramach techniki nauczania instruktorzy porównują spin elektronów z planetą obracającą się wokół własnej osi co 24 godziny. Spin-up ma miejsce, gdy elektron obraca się wokół własnej osi zgodnie z ruchem wskazówek zegara; spin-down występuje, gdy elektron obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Jaka jest zasada konstrukcji?

Zasada budowy to pojęcie chemiczne wyjaśniające, w jaki sposób elektrony wypełniają orbitale atomowe w atomie. Zgodnie z tą zasadą elektrony zajmują orbitale o najniższej dostępnej energii, zanim przejdą na orbitale o wyższej energii.

Co to jest reguła Hunda klasy 11?

Reguła Hunda, często omawiana na lekcjach chemii w klasie 11, stwierdza, że ​​elektrony będą pojedynczo zajmować orbitale o tym samym poziomie energii (podpowłoce), zanim połączą się w pary. Dodatkowo elektrony na pojedynczo zajętych orbitali będą miały równoległe spiny.

Co to jest Fullform SPDF?

SPDF oznacza cztery podpoziomy lub orbitale w atomie: s, p, d i f. Litery te reprezentują różne kształty i orientacje orbitali atomowych, w których prawdopodobnie znajdują się elektrony.

• P.: Ostry
• P: Główne
• D: rozproszony
• F: fundamentalne

Dlaczego kwant nazywa się kwantem?

Termin kwant pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego ile Lub ilość . W fizyce odnosi się do dyskretnych i niepodzielnych jednostek, w których określone wielkości fizyczne, takie jak energia i pęd, są kwantowane zgodnie z teorią kwantową. Te dyskretne jednostki mają fundamentalne znaczenie dla zrozumienia zachowania cząstek na poziomie atomowym i subatomowym. Dlatego nazwa dziedziny fizyki kwantowej pochodzi od koncepcji kwantyzacji.