Kvantové čísla v chémii sú súbory čísel, ktoré opisujú obežnú dráhu elektrónu a pohyb v atóme. Keď sa kvantové čísla všetkých elektrónov v danom atóme sčítajú, musia spĺňať Schrodingerova rovnica .

Kvantové čísla sú množinou čísel používaných na opis polohy a energie elektrónu v atóme. Existujú štyri typy kvantových čísel: hlavné, azimutálne, magnetické a spinové. Kvantové čísla predstavujú hodnoty konzervovaných veličín kvantového systému.

Dozvieme sa podrobne o všetkých kvantových číslach v tomto článku.

Obsah

• Čo sú kvantové čísla?
• Typy kvantových čísel
• Význam kvantových čísel
• Atómový orbitál
• Ďalšie zákony týkajúce sa polohy a dráhy elektrónov

Čo sú kvantové čísla?

Kvantové čísla sú množinou konštantných hodnôt v kvantovom prístupe. Kvantové čísla resp Elektronické kvantové čísla opísať elektrón s číselnými hodnotami, ktoré poskytujú riešenia Schrodingerovej vlnovej rovnice pre atómy vodíka, tieto čísla môžu definovať polohu, energiu a orientáciu elektrónu v atóme prostredníctvom množiny čísel.

polia v jazyku Java

Podľa Pauliho vylučovací princíp , žiadne dva elektróny v atóme nemôžu mať rovnakú sadu kvantových čísel. Na charakterizáciu každého kvantového čísla sa používa polovičná alebo celočíselná hodnota. Hlavné, azimutálne a magnetické kvantové čísla súvisia s veľkosťou, tvarom a orientáciou atómu.

Štyri kvantové čísla možno použiť na úplný opis všetkých vlastností daného elektrónu v atóme; tieto sú:

1. Hlavné kvantové číslo
2. Kvantové číslo orbitálneho momentu hybnosti (alebo azimutálne kvantové číslo).
3. Magnetické kvantové číslo
4. Kvantové číslo elektrónového spinu

Typy kvantových čísel

Štyri kvantové čísla sa používajú na úplný opis všetkých charakteristík elektrónu v atóme. Tieto kvantové čísla sú:

• Hlavné kvantové číslo (n)
• Azimutálne kvantové číslo (l)
• Magnetické kvantové číslo (m_l)
• Kvantové číslo elektrónového spinu (čísla)

Hlavné kvantové číslo (n)

Symbol „n“ predstavuje hlavné kvantové čísla. Označujú primárny elektrónový obal atómu. Pretože opisuje najpravdepodobnejšiu vzdialenosť medzi jadrom a elektrónmi, väčšia hodnota hlavného kvantového čísla znamená väčšiu vzdialenosť medzi elektrónom a jadrom (čo zase znamená väčšiu veľkosť atómu).

• Hodnota hlavného kvantového čísla môže byť akékoľvek celé číslo s kladnou hodnotou rovnou alebo väčšou ako jedna. Hodnota n=1 označuje najvnútornejší elektrónový obal atómu, ktorý zodpovedá stavu s najnižšou energiou elektrónu (alebo základného stavu).
• Výsledkom je, že hlavné kvantové číslo, n, nemôže mať zápornú hodnotu alebo sa rovnať nule, pretože atóm nemôže mať zápornú hodnotu alebo žiadnu hodnotu pre hlavný obal.
• Keď je elektrón nabitý energiou (excitovaný stav), elektrón preskočí z jedného hlavného obalu do vyššieho obalu, čo spôsobí zvýšenie hodnoty n.
• Podobne, keď elektróny strácajú energiu, vracajú sa do nižších obalov, čím sa znižuje hodnota n. Absorpcia sa vzťahuje na zvýšenie hodnoty n pre elektrón, pričom sa zdôrazňujú fotóny alebo energia absorbovaná elektrónom.
• Podobne pokles hodnoty n pre elektrón sa označuje ako emisia a práve tu elektróny vyžarujú svoju energiu.

Azimutálne kvantové číslo (l) – orbitálne kvantové číslo s uhlovou hybnosťou

Azimutálne kvantové číslo (alebo orbitálny moment hybnosti) popisuje tvar orbitálu. Je reprezentovaný písmenom „l“ a jeho hodnota sa rovná celkovému počtu uhlových uzlov v orbitáli.

• Hodnota azimutálneho kvantového čísla môže označovať buď podškrupinu s, p, d alebo f, ktorých tvary sa líšia.
• Táto hodnota je určená (a obmedzená) hodnotou hlavného kvantového čísla, t.j. azimutálne kvantové číslo sa pohybuje medzi 0 a (n-1).
• Napríklad, ak n = 3, azimutálne kvantové číslo môže mať tri hodnoty: 0, 1 a 2.
• Keď je l nastavené na nulu, výsledná podvrstva je podslupka „s“.
• Keď l = 1 a l = 2, výsledné podvrstvy sú „p“ a „d“ podvrstvy (v tomto poradí).
• Výsledkom je, že keď n=3, tri podvrstvy, ktoré môžu existovať, sú 3s, 3p a 3d. V inom prípade, kde n = 5, možné hodnoty l sú 0, 1, 2, 3 a 4. Ak l = 3, atóm obsahuje tri uhlové uzly.

Magnetické kvantové číslo (m_l)

Magnetické kvantové číslo určuje celkový počet orbitálov v podplášte, ako aj ich orientáciu. Je reprezentovaný symbolom „m_l.‘ Toto číslo predstavuje projekciu momentu hybnosti orbitálu pozdĺž danej osi.

• Magnetické kvantové číslo je určené azimutálnym (alebo orbitálnym momentom hybnosti) kvantovým číslom.
• Pre danú hodnotu l je hodnota m_lspadá medzi -l až +l. V dôsledku toho je nepriamo závislá od hodnoty n.
• Napríklad, ak n = 4 a l = 3 v atóme, magnetické kvantové číslo môže byť -3, -2, -1, 0, +1, +2 a +3. Celkový počet orbitálov v danom podplášte je určený hodnotou „l“ orbitálu.
• Vypočíta sa pomocou vzorca (2l + 1). Napríklad podplášť „3d“ (n=3, l=2) má 5 orbitálov (2*2 + 1). Každý orbitál môže obsahovať dva elektróny. Výsledkom je, že do 3D podplášťa sa zmestí celkovo 10 elektrónov.

Kvantové číslo elektrónového spinu (čísla)

Kvantové číslo spinu elektrónov je nezávislé od n, l a m_lhodnoty. Hodnota tohto čísla, označená symbolom m_s, označuje smer, ktorým sa elektrón otáča.

• m_shodnota udáva smer, ktorým sa elektrón otáča. Kvantové číslo spinového elektrónu môže mať hodnoty medzi +1/2 a -1/2.
• Kladná hodnota m_soznačuje vzostupný spin na elektróne, známy aj ako spin up.
• Ak m_sAk je záporný, hovorí sa, že príslušný elektrón má zostupný spin alebo spin dole.
• Hodnota kvantového čísla spinu elektrónu určuje, či daný atóm môže generovať magnetické pole alebo nie. Hodnota m_smožno zovšeobecniť na ±½.

Význam kvantových čísel

Kvantové čísla sú významné, pretože sa dajú použiť na odhad elektrónovej konfigurácie atómu a kde sa jeho elektróny s najväčšou pravdepodobnosťou nachádzajú. Atómový polomer a ionizačná energia atómov je okrem iných vlastností určená aj kvantovými číslami.

Každé kvantové číslo má svoj vlastný význam, ktorý je popísaný v nasledujúcej tabuľke:

Atómový orbitál

Ako vieme, elektróny sa správajú ako vlny a polohu elektrónu vo vnútri atómu možno ľahko definovať pomocou vlnovej teórie kvantovej mechaniky riešením Schrodingerovej vlnovej rovnice na špecifickej energetickej úrovni atómu.

Tieto vlnové funkcie, ktoré definujú polohu elektrónu vo vnútri atómu, sa nazývajú atómové orbitály. Tieto orbitály sú miestami, kde je najväčšia pravdepodobnosť nájdenia elektrónu. Vo vnútri atómu sú štyri typy orbitálov

• s – orbitálny
• p – orbitálne
• d – orbitálny
• f – orbitálne

Atómové orbitály sú tiež definované ako fyzikálny priestor vo vnútri atómu, kde je najvyššia pravdepodobnosť nájdenia elektrónu.

Čítaj viac:

• Elektronická konfigurácia prvkov
• Zapĺňanie orbitálov v atóme
• Tvary atómových orbitálov

Ďalšie zákony týkajúce sa polohy a dráhy elektrónov

Tri ďalšie pravidlá a princípy v chémii nám pomáhajú pochopiť polohu, dráhu, dráhy a energetické hladiny elektrónov v atóme, o ktorých sa diskutuje v nasledujúcich podkapitolách:

Princíp štruktúry

Aufbauov princíp, nazývaný aj Aufbauovo pravidlo, hovorí, že elektróny idú do atómových orbitálov s nižšou energiou ako na orbitály s vyššou energiou. Aufbau znamená v nemčine budova.

NCERT Definícia princípu štruktúry

V základnom stave atómov sú orbitály naplnené v poradí ich rastúcich energií.

The Konštrukčný princíp nám pomáha zistiť, ako sa elektróny usporiadajú do atómov alebo iónov. Napríklad 1s subshell sa zaplní pred 2s subshell.

Tu je poradie, v ktorom elektróny zapĺňajú orbitály: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p a tak ďalej. Tento vzor plnenia platí pre každý atóm.

Pre príklad , s použitím princípu Aufbau, elektronická konfigurácia síry sa píše ako [S] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.

Hundovo pravidlo maximálnej multiplicity

Hundovo pravidlo hovorí, že každý orbitál v podúrovni dostane jeden elektrón predtým, ako ktorýkoľvek z nich dostane druhý. A všetky elektróny v týchto jednoobsadených orbitáloch majú rovnaký spin.

NCERT Definícia Hundovho pravidla

Párovanie elektrónov v orbitáloch patriacich do rovnakej podplášťovej vrstvy (p, d alebo f) sa neuskutoční, kým každý orbitál patriaci do tejto podplášťovej vrstvy nemá po jednom elektróne, t.j. nie je obsadený.

Hundovo pravidlo, nazývané aj pravidlo maximálnej multiplicity, môže viesť k tomu, že atómy majú viacero nespárovaných elektrónov. Tieto nepárové elektróny sa môžu otáčať rôznymi smermi a vytvárať magnetické momenty v rôznych smeroch.

Hundovo pravidlo platí pre určité molekuly, ktoré majú nespárované elektróny.

Pauliho princíp vylúčenia

Pauliho vylučovací princíp hovorí, že dve identické častice s polovičnými rotáciami nemôžu byť v rámci systému v rovnakom kvantovom stave.

NCERT Definícia Pauliho princípu vylúčenia

Žiadne dva elektróny v atóme nemôžu mať rovnakú sadu štyroch kvantových čísel.

ALEBO

V tom istom orbitále môžu existovať iba dva elektróny a tieto elektróny musia mať opačný spin.

V chémii, Pauliho vylučovací princíp nám hovorí, že v rámci toho istého atómu nemôžu mať žiadne dva elektróny všetky štyri kvantové čísla rovnaké. To znamená, že najviac dva elektróny môžu obsadiť rovnaký orbitál a musia mať opačné spiny.

Pauliho vylučovací princíp stanovuje limity, koľko elektrónov môže byť v obale alebo v podplášte.

Vyriešené otázky o kvantových číslach

Otázky 1: Nájdite všetky štyri kvantové čísla posledného elektrónu Rubídia.

Riešenie:

Rubídium má atómové číslo, Z = 37.

elektronická konfigurácia rubídia,

1 s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶5 s¹

jframe

Valencia posledného plášťového elektrónu je 5 s¹

preto

Hlavné kvantové číslo, n = 5,

Azimutálne kvantové číslo, l = 0,

Magnetické kvantové číslo, m_l= 0,

Spin kvantové číslo, s = +1/2

Otázky 2: Uveďte možné hodnoty magnetického kvantového čísla pre l = 2.

Riešenie:

Vzhľadom na to, že azimutálne kvantové číslo, l = 2

My to vieme,

m_l= – l až + l

preto

m_l= -2 až +2

t.j.

m₂= -2, -1, 0, +1, +2

Otázky 3: Nájdite všetky štyri kvantové čísla posledného elektrónu sodíka.

Riešenie:

Sodík má atómové číslo, Z = 11.

elektronická konfigurácia rubídia,

1 s²2s²2p⁶3s¹

Valenčný obal posledného elektrónu je 3 s¹

preto

Hlavné kvantové číslo, n = 3,

Azimutálne kvantové číslo, l = 0,

Magnetické kvantové číslo, m_l= 0,

0,2 ako zlomok

Spin kvantové číslo, s = +1/2

Otázky 4: Uveďte možné hodnoty magnetického kvantového čísla pre l = 3.

Riešenie:

Vzhľadom na to, že azimutálne kvantové číslo, l = 3

My to vieme,

pre l = 3,

m_l= – 3 až + 3

t.j.

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

Praktické problémy MCQ s kvantovými číslami

Ak sa chcete dozvedieť viac o praxi kvantových čísel MCQ o kvantitatívnych číslach

Časté otázky o kvantových číslach

Definujte kvantové čísla.

Súbor čísel, ktoré sa používajú na definovanie polohy a energie počtu elektrónov v atóme, sa nazývajú kvantové čísla.

Koľko kvantových čísel existuje?

Štyri kvantové čísla sú:

• Hlavné kvantové číslo (n)
• Azimutálne kvantové číslo (l)
• Magnetické kvantové číslo (m_l)
• Kvantové číslo elektrónového spinu (čísla)

Ktoré kvantové číslo určuje tvar orbitálu?

Azimutálne kvantové číslo (l) tiež nazývané Uhlové kvantové číslo definuje tvar orbitálu.

Ktoré kvantové číslo určuje orientáciu orbitálu?

Magnetické kvantové číslo (m_l) sa používa na znázornenie orientácie orbitálu v trojrozmernom priestore.

Koľko kvantových čísel je potrebných na určenie orbitálu?

Na určenie orbitálu atómu sú potrebné tri kvantové čísla, ktoré sú:

• Hlavné kvantové číslo (n)
• Azimutálne kvantové číslo (l)
• Magnetické kvantové číslo (m_l)

Ktoré kvantové číslo určuje energiu elektrónu?

Energiu elektrónu možno ľahko určiť pomocou hlavného kvantového čísla (n) a azimutálneho kvantového čísla (l) elektrónu.

Čo je kvantová energia?

Energia kvantových častíc (t.j. veľmi veľmi malých častíc) sa nazýva kvantová energia. Jedným zo spôsobov merania kvantovej energie je použitie fotónu, ktorý je najmenšou jednotkou na meranie svetelnej energie a energie iných elektromagnetických vĺn.

Čo je spin elektrónu?

Elektrónový spin je kvantová vlastnosť elektrónov. Je to tvar s uhlovou hybnosťou. Ako vyučovaciu techniku ​​inštruktori porovnávajú elektrónový spin s planétou rotujúcou okolo vlastnej osi každých 24 hodín. K roztočeniu dochádza, keď sa elektrón otáča v smere hodinových ručičiek na svojej osi; spin-down nastáva, keď sa elektrón otáča proti smeru hodinových ručičiek.

Aký je princíp konštrukcie?

Konštrukčný princíp je pojem v chémii, ktorý vysvetľuje, ako elektróny vypĺňajú atómové orbitály v atóme. Podľa tohto princípu elektróny zaberajú orbitály s najnižšou energiou, ktoré sú k dispozícii, predtým, než sa presunú na vyššie energetické.

Čo je Hundovo pravidlo triedy 11?

Hundovo pravidlo, často diskutované v chémii triedy 11, uvádza, že elektróny budú pred párovaním samostatne obsadzovať orbitály rovnakej energetickej úrovne (subshell). Okrem toho elektróny v jednotlivo obsadených orbitáloch budú mať paralelné rotácie.

Čo je úplná forma SPDF?

SPDF znamená štyri podúrovne alebo orbitály v atóme: s, p, d a f. Tieto písmená predstavujú rôzne tvary a orientácie atómových orbitálov, kde sa pravdepodobne nachádzajú elektróny.

• S: Ostré
• Otázka: Hlavná
• D: difúzne
• F: zásadný

Prečo sa kvantum nazýva kvantom?

Termín kvantum pochádza z latinského slova, ktoré znamená koľko alebo množstvo . Vo fyzike sa to týka diskrétnych a nedeliteľných jednotiek, v ktorých sú určité fyzikálne veličiny, ako je energia a hybnosť, kvantované podľa kvantovej teórie. Tieto diskrétne jednotky sú základom pre pochopenie správania častíc na atómovej a subatomárnej úrovni. Preto je oblasť kvantovej fyziky pomenovaná podľa pojmu kvantovanie.