Kvantetal og elektroniske orbitaler

Kemi er mest studiet af elektroninteraktioner mellem atomer og molekyler. At forstå opførelsen af ​​elektronerne i et atom, f.eks Aufbau-princip, er en vigtig del af forståelsen kemiske reaktioner. Tidlige atomteorier brugte ideen om, at et atoms elektron fulgte de samme regler som et mini-solsystem, hvor planeterne var elektroner, der kredsede om en midterste protonsol. Elektriske attraktive kræfter er meget stærkere end tyngdekræfter, men følger de samme grundlæggende inverse kvadratregler for afstand. Tidlige observationer viste, at elektronerne bevægede sig mere som en sky omkring kernen snarere end en individuel planet. Formen på skyen eller orbitalen var afhængig af energimængden, vinkelmoment og magnetisk moment for det enkelte elektron. Egenskaberne ved et atom elektronkonfiguration er beskrevet af fire kvanttal: n, ℓ, m, og s.

Den første er energiniveauet kvanttal, n. I en bane er baner med lavere energi tæt på kilden til tiltrækning. Jo mere energi du giver en krop i kredsløb, jo længere 'ud' den går. Hvis du giver kroppen nok energi, vil den forlade systemet helt. Det samme gælder for en elektronisk orbital. Højere værdier på

Det andet kvanttal er det kantede kvantetal, ℓ. Hver værdi af n har flere værdier på ℓ, der spænder i værdier fra 0 til (n-1). Dette kvanttal bestemmer 'form' på elektron sky. I kemi er der navne på hver værdi af ℓ. Den første værdi, ℓ = 0 kaldet en s orbital. s orbitaler er sfæriske, centreret om kernen. Den anden, ℓ = 1 kaldes en p-orbital. p-orbitaler er normalt polære og danner en tårnbladet kronbladform med punktet mod kernen. ℓ = 2 orbital kaldes en d orbital. Disse orbitaler ligner p-orbitalformen, men med flere 'kronblade' som en kløverblad. De kan også have ringeformer omkring bunden af ​​kronbladene. Den næste orbital, ℓ = 3 kaldes en f orbital. Disse orbitaler ligner en d orbitaler, men med endnu flere 'kronblade'. Højere værdier på ℓ har navne, der følger i alfabetisk rækkefølge.

Det tredje kvantetal er det magnetiske kvantetal, m. Disse tal blev først opdaget i spektroskopi, da de gasformige elementer blev udsat for et magnetfelt. Den spektrale linje, der svarer til en bestemt bane, ville opdeles i flere linjer, når et magnetisk felt ville blive introduceret over gassen. Antallet af opdelte linjer ville være relateret til det vinklede kvanttal. Dette forhold viser for hver værdi af ℓ, et tilsvarende sæt værdier af m der spænder fra -ℓ til ℓ findes. Dette nummer bestemmer orbitens orientering i rummet. For eksempel, p orbitaler svarer til ℓ = 1, kan have m værdier på -1,0,1. Dette ville repræsentere tre forskellige orienteringer i rummet for de to kronblade af den orbitalform. De defineres normalt som p_x, p_y, p_z at repræsentere akserne, som de er på linje med.

Det fjerde kvantetal er spin-kvanten nummer, s. Der er kun to værdier for s, + ½ og -½. Disse kaldes også 'spin up' og 'spin down'. Dette nummer bruges til at forklare individuelle elektroners opførsel, som om de drejede med uret eller mod uret. Den vigtige del af orbitaler er det faktum, at hver værdi af m har to elektroner og havde brug for en måde at skelne dem fra hinanden på.

Disse fire tal, n, ℓ, m, og s kan bruges til at beskrive et elektron i et stabilt atom. Hvert elektron's kvantetal er unikt og kan ikke deles med en anden elektron i dette atom. Denne egenskab kaldes Pauli-udelukkelsesprincip. Et stabilt atom har lige så mange elektroner som protoner. Reglerne, som elektronerne følger for at orientere sig omkring deres atom, er enkle, når reglerne for kvanttalene er forstået.

• n kan have hele talværdier: 1, 2, 3, ...
• For hver værdi af n, ℓ kan have heltalværdier fra 0 til (n-1)
• m kan have en hvilken som helst heltalværdi, inklusive nul, fra -ℓ til + ℓ
• s kan være enten + ½ eller -½