Numere cuantice: orbitali S, P, D și F și moment unghiular

Atomii sunt formați dintr-un nucleu, alcătuit din neutroni și protoni și electroni care orbitează nucleul . Traiectoriile pe care electronii le descriu, locurile din spațiul atomului prin care se deplasează, constituie un aspect fundamental în reacțiile chimice și în structurile atomice și moleculare pe care le alcătuiesc. Locurile din spațiul atomilor în care se deplasează electronii sunt orbitalii . Cel mai simplu orbital este cel al singurului electron pe care îl are atomul de hidrogen, care este sferic. Dar pe măsură ce elementele au un număr mai mare de electroni, orbitalii prin care se deplasează sunt din ce în ce mai complexi, până se ajunge la cazul uraniului, care are 92 de electroni, și care este elementul natural cu cel mai mare număr de electroni.

Mecanica cuantică și electronii în atomi

Forma orbitalilor precum si alte proprietati ale electronilor atomilor sunt descrise de mecanica cuantica, care stabileste ca parametrii fizici precum energia si pozitia au valori definite; nu sunt parametri continui ca in mecanica clasica, unde pot avea orice valoare. Prin urmare, energia electronilor, ca și locurile prin care aceștia tranzitează în spațiul atomilor, nu poate avea decât valori definite.

Energia și poziția unui electron care orbitează în jurul nucleului unui atom este descrisă de o funcție matematică numită funcție de undă , care este o soluție a ecuației Schrödinger . Această funcție reprezintă probabilitatea ca electronul să se afle într-o anumită poziție la un anumit moment. Și acum vorbim de probabilitate deoarece mecanica cuantică stabilește și că nu este posibil să se determine exact doi parametri fizici ai unei particule precum electronul , cum ar fi energia și timpul, sau poziția și impulsul (cantitatea de mișcare: produsul masei sale). ori viteza sa) a particulei.

numere cuantice

Funcția care reprezintă probabilitatea ca electronul să se afle într-o anumită poziție la un anumit moment este produsul a patru funcții: trei asociate cu poziția electronului (una dependentă de distanța de la nucleul atomului și celelalte două dependent de coordonatele sale unghiulare) iar restul asociat cu rotaţia electronului. Aceste funcții includ ceea ce se numesc numere cuantice , care sunt patru:

• Numărul cuantic principal n , asociat cu energia electronului și având valori întregi pozitive.
• Numărul cuantic azimutal l , asociat cu momentul unghiular al electronului (momentul unghiular: produsul dintre masa lui înmulțit cu viteza de rotație) care se exprimă cu litere; s pentru l =0; p pentru l =1, d pentru l =2, f pentru l =3. Nomenclatura cifrei l cu litere își are originea în studiul spectrelor metalelor alcaline, în care liniile spectrale au fost grupate, după numele lor în limba engleză, în sharp ( bine definit , s ), principal (principal,p ), difuz (difuz, d ) și fundamental (fundamente, f ).
• Al treilea este numărul cuantic este m sau ml magnetic _asociat cu orientarea momentului unghiular al electronului . Variația acestui număr cuantic produce, de exemplu, cele cinci distribuții lobare ale elementelor care au orbitali 3 d prezentate în figură. Această distribuție a electronilor este foarte importantă, deoarece corespunde elementelor care alcătuiesc diverse materiale prezente în viața noastră de zi cu zi, metalele de tranziție crom, cobalt, cupru, fier, nichel, mangan, scandiu, titan și vanadiu. În cazul nivelurilor s , numărul cuantic magnetic m _lpermite doar orbitali sferici (vezi figura); în nivelurile p permite trei forme de orbitali iar în f permite 7 forme de orbitali.

Al patrulea număr cuantic este m _s , spinul electronului, asociat cu rotația acestuia.

Structura electronică a atomilor

Structura electronilor fiecărui element se constituie în urma progresiei numerelor cuantice, în funcție de condițiile pe care le presupune fiecare. Progresia este următoarea (întregul este numărul cuantic principal n și litera este numărul cuantic azimutal 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

În plus, trebuie avut în vedere că fiecare orbital poate conține până la doi electroni cu spin opus , deci nivelurile s pot avea până la 2 electroni; nivelurile p , care au 3 orbitali _permisi de numărul cuantic magnetic ml , pot avea până la 6 electroni; d shells , care au 5 orbitali permisi (vezi figura), pot ține până la 10 electroni, iar f shells , care au 7 orbitali permisi, pot ține până la 14 electroni.

Urmând acest criteriu, hidrogenul (H), care are un singur electron, va avea o structură 1 s ¹ , unde superscriptul 1 indică faptul că există un singur electron în orbitalul 1 s . Heliul (He), cu doi electroni, va avea o structură de 1 s ² (doi electroni în orbital s ). Litiul (Li), cu trei electroni, va avea o structură electronică 1 s ² 2 s ¹ . Și așa mai departe. Fierul (Fe), de exemplu, care are 26 de electroni, va avea o structură electronică 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p⁶ 3 d ⁶ 4 s ² ; fiecare dintre cei 26 de electroni ai fierului tranzitează prin orbitalii stabiliți de această structură electronică.

NOTĂ

Trebuie avut în vedere că, deși cuvântul orbital sugerează conceptul de „orbită”, electronii de fapt, și în ciuda modelelor atomice inițiale, nu se mișcă în jurul nucleului efectuând orbite, ci mai degrabă „tranzitează” de la un orbital la altul. . ., când atomul are mai mult de unul, fie rămân în singurul orbital al atomului (în cazul hidrogenului și heliului), fie merg la un orbital împărtășit de atomii care formează o legătură chimică covalentă.

Surse

E. Pavarini, E. Koch, F. Anders și M. Jarrell. Teoria câmpului cristalin, metoda de legare strânsă și efectul Jahn-Teller. Electroni corelați: de la modele la modelarea și simularea materialelor Vol. 2. Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 978-3-89336-796-2.

JJ Murrell, SFA Kettle, JM Tedder. Legătura chimică. A doua editie. John Wiley & Sons. 1985.

Roger G. Burns. Aplicații mineralogice ale teoriei câmpului cristalin. A doua editie. Cambridge University Press. 1993.

Martin Gonzalez Soto. Ce sunt numerele cuantice, NANOVA https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi22f7M3IT2AhWEjaQKHTpjDiAQFnoECEwQAQ&url=FnoECEwQAQ&url=Fno%2Fquena2. sunt-numerele-cuantice%2F&usg=AOvVaw3UoxJOhbgXxBBSGz6R6zxr