Quantenzahlen und Elektronenorbitale

Die Chemie befasst sich hauptsächlich mit der Untersuchung von Elektronenwechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen. Das Verständnis des Verhaltens der Elektronen in einem Atom, wie zum Beispiel das Aufbau-Prinzip, ist ein wichtiger Teil des Verständnisses chemischer Reaktionen. Frühe Atomtheorien gingen davon aus, dass das Elektron eines Atoms denselben Regeln folgt wie ein Mini-Sonnensystem, bei dem die Planeten Elektronen sind, die eine Protonensonne im Zentrum umkreisen. Elektrische Anziehungskräfte sind viel stärker als Gravitationskräfte, folgen jedoch den gleichen quadratischen Grundregeln für den Abstand. Frühe Beobachtungen zeigten, dass sich die Elektronen eher wie eine Wolke um den Kern als wie ein einzelner Planet bewegten. Die Form der Wolke oder des Orbitals hing von der Energiemenge, dem Drehimpuls und dem magnetischen Moment des einzelnen Elektrons ab. Die Eigenschaften der Elektronenkonfiguration eines Atoms werden durch vier Quantenzahlen beschrieben: n, ℓ, m, und s.

Erste Quantenzahl

Die erste ist die Quantenzahl des Energieniveaus, n. In einer Umlaufbahn befinden sich Umlaufbahnen mit niedrigerer Energie in der Nähe der Quelle der Anziehung. Je mehr Energie du einem Körper in die Umlaufbahn gibst, desto weiter geht es hinaus. Wenn Sie dem Körper genügend Energie geben, verlässt er das System vollständig. Gleiches gilt für ein Elektronenorbital. Höhere Werte von n bedeuten mehr Energie für das Elektron und der entsprechende Radius der Elektronenwolke oder des Orbitals ist weiter vom Kern entfernt. Werte von n Beginnen Sie bei 1 und steigen Sie um ganzzahlige Beträge. Je höher der Wert von n ist, desto näher sind die entsprechenden Energieniveaus beieinander. Wenn dem Elektron genügend Energie hinzugefügt wird, verlässt es das Atom und hinterlässt ein positives Ion.

Zweite Quantenzahl

Die zweite Quantenzahl ist die Winkelquantenzahl ℓ. Jeder Wert von n hat mehrere Werte von ℓ im Bereich von 0 bis (n-1). Diese Quantenzahl bestimmt die 'Form' der Elektronenwolke. In der Chemie gibt es Namen für jeden Wert von ℓ. Der erste Wert, ℓ = 0, wird als s-Orbital bezeichnet. Die Orbitale sind kugelförmig und auf den Kern zentriert. Das zweite, ℓ = 1 heißt p-Orbital. p-Orbitale sind normalerweise polar und bilden eine tropfenförmige Blütenform mit der Spitze zum Kern hin. ℓ = 2 Orbital heißt d Orbital. Diese Orbitale ähneln der p-Orbitalform, haben jedoch mehr Blütenblätter als ein Kleeblatt. Sie können auch Ringformen um die Basis der Blütenblätter haben. Das nächste Orbital, ℓ = 3, heißt f-Orbital. Diese Orbitale sehen in der Regel ähnlich wie d-Orbitale aus, haben jedoch noch mehr „Blütenblätter“. Höhere Werte von ℓ haben Namen, die in alphabetischer Reihenfolge folgen.

Dritte Quantenzahl

Die dritte Quantenzahl ist die magnetische Quantenzahl, m. Diese Zahlen wurden erstmals in der Spektroskopie entdeckt, als die gasförmigen Elemente einem Magnetfeld ausgesetzt wurden. Die Spektrallinie, die einer bestimmten Umlaufbahn entspricht, würde sich in mehrere Linien aufteilen, wenn ein Magnetfeld über das Gas geleitet würde. Die Anzahl der Teilungslinien würde sich auf die Winkelquantenzahl beziehen. Diese Beziehung zeigt für jeden Wert von ℓ eine entsprechende Menge von Werten von m Es wurde ein Bereich von -ℓ bis ℓ gefunden. Diese Zahl bestimmt die Orientierung des Orbitals im Raum. Beispielsweise können p Orbitale entsprechen ℓ = 1, haben m Werte von -1,0,1. Dies würde drei verschiedene Orientierungen im Raum für die Zwillingsblumenblätter der Orbitalform darstellen. Sie werden normalerweise als p definiert_x, p_y, p_z um die Achsen darzustellen, an denen sie ausgerichtet sind.

Vierte Quantenzahl

Die vierte Quantenzahl ist die Spinquantenzahl, s. Es gibt nur zwei Werte für s, +½ und -½. Diese werden auch als "Spin up" und "Spin down" bezeichnet. Diese Zahl wird verwendet, um das Verhalten einzelner Elektronen zu erklären, als ob sie sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen würden. Der wichtige Teil für Orbitale ist die Tatsache, dass jeder Wert von m hat zwei Elektronen und brauchte einen Weg, um sie voneinander zu unterscheiden.

Verhältnis von Quantenzahlen zu Elektronenorbitalen

Diese vier Zahlen, n, ℓ, m, und s kann verwendet werden, um ein Elektron in einem stabilen Atom zu beschreiben. Die Quantenzahlen jedes Elektrons sind einzigartig und können nicht von einem anderen Elektron in diesem Atom geteilt werden. Diese Eigenschaft wird als Pauli-Ausschlussprinzip bezeichnet. Ein stabiles Atom hat genauso viele Elektronen wie Protonen. Die Regeln, nach denen sich die Elektronen an ihrem Atom orientieren, sind einfach, sobald die Regeln für die Quantenzahlen verstanden sind.

Zur Durchsicht

• n kann ganze Zahlenwerte haben: 1, 2, 3,…
• Für jeden Wert von n, ℓ kann ganzzahlige Werte von 0 bis (n-1) haben
• m kann einen beliebigen ganzzahligen Wert, einschließlich Null, von -ℓ bis + ℓ haben
• s kann entweder + ½ oder -½ sein