Numeri quantici e orbitali elettronici

La chimica è principalmente lo studio delle interazioni elettroniche tra atomi e molecole. Comprensione del comportamento degli elettroni in un atomo, come ad esempio Principio di Aufbau, è una parte importante della comprensione reazioni chimiche. Prime teorie atomiche usato l'idea che l'elettrone di un atomo seguisse le stesse regole di un mini sistema solare in cui i pianeti erano elettroni in orbita attorno a un sole di protoni centrali. Le forze elettriche attraenti sono molto più forti delle forze gravitazionali, ma seguono le stesse regole quadrate inverse di base per la distanza. Le prime osservazioni hanno mostrato che gli elettroni si muovevano più come una nuvola che circonda il nucleo piuttosto che un singolo pianeta. La forma della nuvola, o orbitale, dipendeva dalla quantità di energia, momento angolare e momento magnetico del singolo elettrone. Le proprietà di un atomo configurazione elettronica sono descritti da quattro numeri quantici: n, ℓ, m, e S.

Il primo è il livello di energia numero quantico, n. In un'orbita, le orbite di energia inferiore sono vicine alla fonte di attrazione. Più energia dai a un corpo in orbita, più "fuori" va. Se dai abbastanza energia al corpo, lascerà del tutto il sistema. Lo stesso vale per un orbitale elettronico. Valori più alti di n significa più energia per l'elettrone e il raggio corrispondente della nuvola di elettroni o dell'orbitale è più lontano dal nucleo. Valori di n inizia da 1 e aumenta di importi interi. Maggiore è il valore di n, più vicini sono i livelli energetici corrispondenti. Se viene aggiunta abbastanza energia all'elettrone, lascerà l'atomo e lascerà a ione positivo dietro a.

Il secondo numero quantico è il numero quantico angolare, ℓ. Ogni valore di n ha più valori di ℓ che vanno dai valori da 0 a (n-1). Questo numero quantico determina la 'forma' del nuvola di elettroni. In chimica, ci sono nomi per ogni valore di ℓ. Il primo valore, ℓ = 0 chiamato orbitale s. Gli orbitali sono sferici, centrati sul nucleo. Il secondo, ℓ = 1 è chiamato p orbitale. Gli orbitali p sono solitamente polari e formano una forma a petalo a goccia con il punto verso il nucleo. ℓ = 2 orbitale è chiamato d orbitale. Questi orbitali sono simili alla forma orbitale, ma con più "petali" come un quadrifoglio. Possono anche avere forme ad anello attorno alla base dei petali. Viene chiamato l'orbitale successivo, ℓ = 3 un orbitale. Questi orbitali tendono ad apparire simili agli orbitali D, ma con ancora più "petali". I valori più alti di ℓ hanno nomi che seguono in ordine alfabetico.

Il terzo numero quantico è il numero quantico magnetico, m. Questi numeri sono stati scoperti per la prima volta nella spettroscopia quando gli elementi gassosi sono stati esposti a un campo magnetico. La linea spettrale corrispondente a una particolare orbita si dividerebbe in più linee quando un campo magnetico verrebbe introdotto attraverso il gas. Il numero di linee divise sarebbe correlato al numero quantico angolare. Questa relazione mostra per ogni valore di ℓ, un corrispondente set di valori di m si trova da -ℓ a ℓ. Questo numero determina l'orientamento dell'orbitale nello spazio. Per esempio, orbitali p corrisponde a ℓ = 1, può avere m valori di -1,0,1. Ciò rappresenterebbe tre diversi orientamenti nello spazio per i petali gemelli della forma orbitale. Di solito sono definiti come p_X, p_y, p_z per rappresentare gli assi con cui si allineano.

Il quarto numero quantico è il quantum di spin numero, S. Ci sono solo due valori per S, + ½ e -½. Questi sono anche chiamati 'spin up' e 'spin down'. Questo numero viene utilizzato per spiegare il comportamento dei singoli elettroni come se ruotassero in senso orario o antiorario. La parte importante per gli orbitali è il fatto che ogni valore di m ha due elettroni e aveva bisogno di un modo per distinguerli l'uno dall'altro.

Questi quattro numeri, n, ℓ, m, e S può essere usato per descrivere un elettrone in un atomo stabile. I numeri quantici di ciascun elettrone sono unici e non possono essere condivisi da un altro elettrone in quell'atomo. Questa proprietà è chiamata Principio di esclusione di Pauli. Un atomo stabile ha tanti elettroni quanti sono i protoni. Le regole che gli elettroni seguono per orientarsi attorno al loro atomo sono semplici una volta comprese le regole che governano i numeri quantici.

• n può avere valori di numeri interi: 1, 2, 3, ...
• Per ogni valore di n, ℓ può avere valori interi da 0 a (n-1)
• m può avere qualsiasi valore numerico intero, incluso zero, da -ℓ a + ℓ
• S può essere + ½ o -½