Pelajari konsep bilangan kuantum dan orbital atom

Materi terdiri dari partikel-partikel kecil yang disebut atom. Ini, pada gilirannya, terdiri dari inti kecil bermuatan positif, yang dikelilingi oleh awan elektron bermuatan negatif. Bilangan kuantum adalah serangkaian bilangan bulat atau pecahan sederhana yang digunakan untuk menjelaskan, dengan cara yang sederhana, cara elektron-elektron ini disusun di sekitar nukleus . Bilangan kuantum ini memungkinkan kita untuk menentukan daerah di ruang angkasa tempat elektron dapat ditemukan, yang disebut orbital atom.

Memahami bilangan kuantum adalah langkah pertama untuk memahami konfigurasi elektronik unsur-unsur, yang memungkinkan kita memahami dengan cara yang sangat sederhana dan elegan transformasi materi yang dipelajari dalam ilmu kimia.

Teori kuantum dan persamaan Schrödinger

Fisika yang menggambarkan gerakan proyektil dan planet berhenti bekerja dengan baik ketika benda-benda sangat kecil. Teori yang paling menggambarkan materi pada tingkat atom adalah teori kuantum. Sama seperti hukum Newton yang menjadi dasar fisika klasik, salah satu dasar fundamental teori kuantum adalah persamaan Schrödinger, yang darinya muncul bilangan kuantum dan orbital atom.

Persamaan Schrödinger adalah persamaan diferensial yang menggambarkan perilaku elektron sebagai gelombang. Dalam versi paling sederhana, tertulis seperti ini:

Ψ adalah fungsi gelombang, yang secara matematis menggambarkan atom.

Fungsi gelombang dan orbital atom

Orbital atom muncul dari persamaan Schrödinger atau, lebih tepatnya, dari fungsi gelombang. Untuk waktu yang lama ada diskusi tentang apa yang dimaksud dengan fungsi gelombang, sampai ditemukan bahwa kuadratnya, yaitu Ψ ² , menentukan probabilitas menemukan elektron di tempat tertentu di ruang angkasa.

Hal ini memungkinkan fisikawan dan kimiawan kuantum untuk menentukan daerah di sekitar nukleus tempat elektron paling mungkin ditemukan, karenanya menjadi konsep modern tentang orbital atom. Faktanya, orbital atom didefinisikan dalam kimia dan mekanika kuantum sebagai wilayah ruang di mana terdapat kemungkinan 90% untuk menemukan elektron .

bilangan kuantum

Persamaan Schrödinger bukanlah persamaan yang hanya memiliki satu penyelesaian. Faktanya, ada banyak sekali solusi untuk persamaan ini, dan semuanya ditentukan oleh bilangan kuantum. Secara formal, bilangan kuantum muncul dari fungsi gelombang berbeda yang diperoleh dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger untuk atom hidrogen. Setiap kombinasi angka-angka ini menghasilkan fungsi gelombang yang berbeda, dan karenanya memunculkan orbital atom yang berbeda.

Berapakah bilangan kuantum dan berapa nilainya?

Ada tiga bilangan kuantum yang menentukan orbital atom, dan tambahan yang mengidentifikasi elektron tertentu yang ditemukan di orbital itu. Angka-angka ini adalah:

• Bilangan kuantum utama atau tingkat energi (n)
• Bilangan kuantum sekunder atau momentum sudut ( l )
• Bilangan kuantum magnetik ( _ml )
• Spin bilangan kuantum elektron (m _s )

Bilangan kuantum utama atau tingkat energi (n)

Bilangan kuantum utama menentukan, dalam atom hidrogen, tingkat energi suatu orbital. Itu juga muncul dalam model atom Bohr dan terkait dengan jarak rata-rata elektron dari inti. Pada atom dengan lebih dari satu elektron, tingkat energi sebenarnya dari setiap orbital juga bergantung pada keberadaan elektron di orbital lainnya.

Bilangan kuantum ini hanya dapat mengambil bilangan asli sebagai nilai: 1, 2, 3,…

Himpunan orbital yang membentuk setiap tingkat energi utama disebut kulit, dan diasosiasikan dengan huruf besar alfabet, dimulai dengan K.

Bilangan kuantum sekunder atau momentum sudut ( l )

Momentum sudut menentukan bentuk orbital. Di dalam setiap kulit atau tingkat energi utama, dapat terdapat beberapa jenis orbital yang berbeda yang dibedakan berdasarkan nilai momentum sudutnya, yang masing-masing bentuk karakteristiknya diperoleh.

Nilai momentum sudut yang mungkin bergantung pada bilangan kuantum utama. Faktanya, momentum sudut, l , hanya dapat diambil sebagai nilai bilangan bulat yang bergerak dari nol (0) ke n – 1 .

Artinya pada level n=1, l hanya dapat mengambil nilai n-1=0. Pada level n=2, saya dapat mengambil 0 dan 1 sebagai nilai, dan seterusnya.

Jumlah momentum sudut juga disebut subkulit energi, dan himpunan orbital dalam setiap subkulit juga disebut subkulit. Setiap sublevel juga diasosiasikan dengan huruf kecil yang berhubungan dengan bentuk fungsi gelombang. Tabel berikut menunjukkan hubungan ini:

Bilangan kuantum magnetik ( _ml )

Momen magnet ml _berhubungan dengan orientasi dalam ruang setiap orbital.

Bilangan kuantum ini hanya dapat mengambil nilai bilangan bulat yang berada di antara –l dan +l , termasuk nol.

Misalnya, jika l =2 (sublevel d), m _l dapat mengambil nilai -2, -1, 0, +1 dan +2.

Setiap nilai momen magnetik dalam setiap subkulit mengidentifikasi orbital tertentu. Maka dapat dikatakan bahwa jumlah kemungkinan bilangan kuantum magnetik menunjukkan berapa banyak orbital yang ada di dalam setiap subkulit.

Orientasi orbital biasanya ditentukan dengan menggunakan sumbu koordinat Cartesian, x, y dan z , dan ini bergantung pada jenis orbital yang bersangkutan.

Orbital s berbentuk bulat, sehingga tidak memiliki orientasi yang diinginkan, jadi tidak perlu menentukan nilai ml ₍ yaitu 0). Dalam kasus orbital p, arah x, y, dan z sering ditetapkan masing-masing ke angka -1, 0, dan +1.

Inilah sebabnya mengapa ada satu orbital s, tiga orbital p, orbital 5 d, dan seterusnya, untuk setiap tingkat energi (selama n cukup besar).

n, l, dan _l mendefinisikan sebuah orbital

Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa, untuk mendefinisikan sebuah orbital atom, hanya diperlukan untuk menentukan kombinasi tertentu dari tiga bilangan kuantum pertama. Tabel berikut menunjukkan beberapa contoh orbital atom atom hidrogen dengan masing-masing bilangan kuantumnya.

Spin bilangan kuantum elektron (m _s )

Akhirnya, kita memiliki bilangan kuantum spin elektron. Bilangan kuantum ini menunjukkan arah perputaran setiap elektron (spin berarti belokan dalam bahasa Inggris).

Putaran elektron hanya dapat memiliki nilai +1/2 atau -1/2.

Putaran elektron menyebabkannya menghasilkan medan magnet, dan ini hanya dapat menunjuk ke salah satu dari dua arah yang berlawanan. Untuk alasan ini, putaran sering diwakili oleh panah yang menunjuk ke atas atau ke bawah, tergantung apakah putarannya +1/2 atau -1/2.

Fakta bahwa elektron hanya dapat memiliki 2 nilai putaran dan fakta bahwa dua elektron dalam atom yang sama tidak dapat memiliki empat bilangan kuantum yang sama (yang disebut prinsip eksklusi Pauli) berarti bahwa di setiap orbital hanya ada maksimum dari dua elektron dengan spin berlawanan, yang dikatakan berpasangan.

Referensi

Atkins, Peter & Julio de Paula . (2014). Kimia Fisik Atkins. (Rev.ed.). Oxford, Inggris Raya: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Kimia Fisik ( ^edisi ke-1 ). Kota New York, New York: McGraw Hill.

Epiotis, N., & Henze, D. (2003). Tabel Periodik (Kimia). Ensiklopedia Ilmu dan Teknologi Fisika , 671–695. https://doi.org/10.1016/b0-12-227410-5/00551-2

Hernandez E., D., Astudillo S., L. (2013). Mengetahui bilangan kuantum. Pendidikan Kimia, Volume 24, Tambahan 2, 485-488. Diperoleh dari https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175

Pauling, L. (2021). Pengantar Mekanika Kuantum: Dengan Aplikasi Kimia (Edisi Pertama). Kota New York, New York: McGraw-Hill.

Kimia.adalah. (td). bilangan_kuantum. Diperoleh dari https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html

Urone, PP, & Hinrichs, R. (2012, 21 Juni). 30.8 Bilangan dan Aturan Kuantum – Fisika Perguruan Tinggi | OpenStax. Diambil 24 Juli 2021, dari https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules