Tabla de Contenidos
Атомите са изградени от ядро, съставено от неутрони и протони, и електрони, които обикалят около ядрото . Траекториите, които електроните описват, местата в пространството на атома, през които те се движат, представляват основен аспект в химичните реакции и в атомните и молекулярните структури, които те изграждат. Местата в пространството на атомите, където се движат електроните, са орбиталите . Най-простата орбитала е тази на единствения електрон, който има водородният атом, който е сферичен. Но тъй като елементите имат по-голям брой електрони, орбиталите, през които се движат, стават все по-сложни, докато се стигне до случая с урана, който има 92 електрона и който е естественият елемент с най-голям брой електрони.
Квантова механика и електрони в атомите
Формата на орбиталите, както и други свойства на електроните на атомите се описват от квантовата механика, която установява, че физически параметри като енергия и позиция имат определени стойности; те не са непрекъснати параметри, както в класическата механика, където могат да имат всякаква стойност. Следователно енергията на електроните, както и местата, през които преминават в пространството на атомите, могат да имат само определени стойности.
Енергията и позицията на електрона, обикалящ около ядрото на атома, се описват от математическа функция, наречена вълнова функция , която е решение на уравнението на Шрьодингер . Тази функция представлява вероятността електронът да бъде в определена позиция в определен момент. И сега говорим за вероятност, защото квантовата механика също установява, че не е възможно да се определят точно два физически параметъра на частица като електрона , като енергия и време, или позиция и импулс (количеството на движение: произведението на нейната маса по нейната скорост) на частицата.
квантови числа
Функцията, която представлява вероятността електронът да бъде в определена позиция в определен момент, е продукт на четири функции: три, свързани с позицията на електрона (едната зависи от разстоянието от ядрото на атома, а другите две в зависимост от неговите ъглови координати), а останалите са свързани с въртенето на електрона. Тези функции включват така наречените квантови числа , които са четири:
- Главното квантово число n , свързано с енергията на електрона и имащо положителни цели числа.
- Азимуталното квантово число l , свързано с ъгловия импулс на електрона (ъгловият импулс: произведението на масата му по скоростта му на въртене), което се изразява с букви; s за l =0; p за l =1, d за l =2, f за l =3. Номенклатурата на числото l с букви води началото си от изследването на спектрите на алкални метали, в което спектралните линии са групирани, според името си на английски, в остри ( добре дефинирани, s ), главни (основни,p ), дифузен (diffuses, d ) и фундаментален (fundamentals, f ).
- Третото е квантовото число е магнитното m или ml , свързано с ориентацията на ъгловия момент на електрона . Вариацията на това квантово число произвежда, например, петте лобарни разпределения на елементи, които имат 3 d орбитали , показани на фигурата. Това разпределение на електроните е много важно, тъй като съответства на елементи, които изграждат различни материали, присъстващи в нашето ежедневие, преходните метали хром, кобалт, мед, желязо, никел, манган, скандий, титан и ванадий. В случай на s нива , магнитното квантово число m lпозволява само сферични орбитали (виж фигурата); в нивата p позволява три форми на орбитали, а в f позволява 7 форми на орбитали.
Четвъртото квантово число е m s , спинът на електрона, свързан с неговото въртене.
Електронната структура на атомите
Структурата на електроните на всеки елемент е съставена следвайки прогресията на квантовите числа, в зависимост от условията, които всяко от тях включва. Прогресията е както следва (цялото число е главното квантово число n , а буквата е азимуталното квантово число l ):
1 s , 2 s , 2 p , 3 s , 3 p , 4 s , 3 d , 4 p , 5 s , 4 d , 5 p , 6 s , 4 f , 5 d , 6 p , 7 s , 5 f
Освен това трябва да се има предвид, че всяка орбитала може да съдържа до два електрона с противоположен спин , така че нивата s могат да имат до 2 електрона; p нивата , които имат 3 орбитали, разрешени от магнитното квантово число ml , могат да имат до 6 електрона; d обвивки , които имат 5 разрешени орбитали (вижте фигурата), могат да задържат до 10 електрона, а f обвивки , които имат 7 разрешени орбитали, могат да задържат до 14 електрона.
Следвайки този критерий, водородът (Н), който има само един електрон, ще има 1 s 1 структура , където горният индекс 1 показва, че има само един електрон в 1 s орбитала . Хелият (He), с два електрона, ще има структура 1 s 2 (два електрона в s орбитала ). Литият (Li), с три електрона, ще има електронна структура 1 s 2 2 s 1 . И така нататък. Желязото (Fe), например, което има 26 електрона, ще има електронна структура 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p6 3 d 6 4 s 2 ; всеки един от 26-те електрона на желязото преминава през орбиталите, установени от тази електронна структура.
ЗАБЕЛЕЖКА
Трябва да се има предвид, че въпреки че думата орбитала предполага понятието „орбита“, електроните всъщност и въпреки първоначалните атомни модели не се движат около ядрото, извършвайки орбити, а по-скоро „транзит“ от една орбитала към друга ., когато атомът има повече от един, или те остават в единствената орбитала на атома (в случая на водород и хелий), или отиват на орбитала, споделена от атомите, които образуват ковалентна химична връзка.
Източници
Е. Паварини, Е. Кох, Ф. Андерс и М. Джарел. Теория на кристалното поле, метод на плътно свързване и ефект на Ян-Телър. Корелирани електрони: от модели до моделиране и симулация на материали, том 2. Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 978-3-89336-796-2.
JJ Murrell, SFA Kettle, JM Tedder. Химическата връзка. Второ издание. Джон Уайли и синове. 1985 г.
Роджър Г. Бърнс. Минералогични приложения на теорията на кристалното поле. Второ издание. Cambridge University Press. 1993 г.
Мартин Гонзалес Сото. Какво представляват квантовите числа, NANOVA https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi22f7M3IT2AhWEjaQKHTpjDiAQFnoECEwQAQ&url=https%3A%2F%2Fnanova.org%2Fque – са-квантовите-числа%2F&usg=AOvVaw3UoxJOhbgXxBBSGz6R6zxr
