Tabla de Contenidos
Atomer är uppbyggda av en kärna, uppbyggd av neutroner och protoner, och elektroner som kretsar kring kärnan . De banor som elektroner beskriver, platserna i atomens rum genom vilka de rör sig, utgör en grundläggande aspekt i kemiska reaktioner och i de atomära och molekylära strukturer som de utgör. De platser i atomernas rymd där elektronerna färdas är orbitalerna . Den enklaste orbitalen är den för den enda elektron som väteatomen har, som är sfärisk. Men eftersom grundämnena har ett större antal elektroner, blir orbitalerna genom vilka de rör sig allt mer komplexa, tills de når fallet med uran, som har 92 elektroner, och som är det naturliga grundämnet med det största antalet elektroner.
Kvantmekanik och elektroner i atomer
Orbitalernas form liksom andra egenskaper hos atomernas elektroner beskrivs av kvantmekaniken, som slår fast att fysikaliska parametrar som energi och position har bestämda värden; de är inte kontinuerliga parametrar som i klassisk mekanik, där de kan ha vilket värde som helst. Därför kan elektronernas energi, liksom de platser genom vilka de passerar i atomernas rymd, bara ha definierade värden.
Energin och positionen för en elektron som kretsar kring en atoms kärna beskrivs av en matematisk funktion som kallas vågfunktionen, som är en lösning av Schrödinger-ekvationen . Denna funktion representerar sannolikheten att elektronen kan vara i en viss position vid ett visst ögonblick. Och nu pratar vi om sannolikhet eftersom kvantmekaniken också slår fast att det inte är möjligt att bestämma exakt två fysiska parametrar för en partikel som elektronen, såsom energi och tid, eller position och rörelsemängd (mängd rörelse: produkten av dess massa gånger dess hastighet) för partikeln.
kvanttal
Funktionen som representerar sannolikheten att elektronen kan vara i en viss position vid ett visst ögonblick är produkten av fyra funktioner: tre associerade med elektronens position (en beroende på avståndet från atomkärnan och de andra två beroende på dess vinkelkoordinater) och resten i samband med elektronens rotation. Dessa funktioner inkluderar vad som kallas kvanttal , som är fyra:
- Det huvudsakliga kvanttalet n , associerat med elektronens energi och som har positiva heltalsvärden.
- Det azimutala kvanttalet l , associerat med elektronens rörelsemängd (momentum: produkten av dess massa gånger dess rotationshastighet) som uttrycks i bokstäver; s för l =0; p för l =1, d för l =2, f för l =3. Nomenklaturen för siffran l med bokstäver har sitt ursprung i studiet av alkalimetallernas spektra, där spektrallinjerna grupperades, efter deras namn på engelska, till skarpa (väldefinierade, s ) , principal ( huvud, huvud,p ), diffus (diffus, d ) och fundamental (fundamental, f ).
- Den tredje är kvanttalet är den magnetiska m eller ml som är associerad med orienteringen av elektronens rörelsemängd . Variationen av detta kvanttal producerar till exempel de fem lobarfördelningarna av element som har 3d orbitaler som visas i figuren. Denna fördelning av elektroner är mycket viktig, eftersom den motsvarar grundämnen som utgör olika material som finns i vårt dagliga liv, övergångsmetallerna krom, kobolt, koppar, järn, nickel, mangan, skandium, titan och vanadin. I fallet med s nivåer , det magnetiska kvanttalet m ltillåter endast sfäriska orbitaler (se figuren); i p- nivåerna tillåter det tre former av orbitaler och i f tillåter det 7 former av orbitaler.
Det fjärde kvanttalet är m s , elektronens spinn, associerad med dess rotation.
Atomernas elektroniska struktur
Strukturen av elektronerna i varje element bildas efter progressionen av kvanttalen, beroende på de förhållanden som var och en medför. Förloppet är som följer (heltalet är det huvudsakliga kvanttalet n och bokstaven är det azimutala kvanttalet 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
Dessutom måste det övervägas att varje orbital kan innehålla upp till två elektroner med motsatt spin , så s- nivåerna kan ha upp till 2 elektroner; p- nivåer , som har 3 orbitaler som tillåts av det magnetiska kvanttalet ml , kan ha upp till 6 elektroner; d- skal , som har 5 tillåtna orbitaler (se figuren), kan rymma upp till 10 elektroner, och f -skal , som har 7 tillåtna orbitaler, kan rymma upp till 14 elektroner.
Efter detta kriterium kommer väte (H), som bara har en elektron, att ha en 1 s 1 -struktur , där den övre skriften 1 indikerar att det bara finns en elektron i 1 s -orbitalen . Helium (He), med två elektroner, kommer att ha en 1 s 2 struktur (två elektroner i s orbital ). Litium (Li), med tre elektroner, kommer att ha en elektronisk struktur 1 s 2 2 s 1 . Och så vidare. Järn (Fe), till exempel, som har 26 elektroner, kommer att ha en elektronisk struktur 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p6 3 d 6 4 s 2 ; var och en av de 26 elektronerna i järn passerar genom orbitaler som upprättats av denna elektroniska struktur.
NOTERA
Det måste beaktas att även om ordet orbital antyder begreppet ”omloppsbana”, rör sig elektronerna faktiskt, och trots de ursprungliga atommodellerna, inte runt kärnan och utför omloppsbanor, utan snarare ”transiterar” från en omloppsbana till en annan , när atomen har mer än en, antingen förblir de i atomens enda omloppsbana (i fallet med väte och helium), eller så går de till en orbital som delas av atomerna som bildar en kovalent kemisk bindning.
Källor
E. Pavarini, E. Koch, F. Anders och M. Jarrell. Crystal-Field Theory, Tight-Binding Method och Jahn-Teller Effect. Korrelerade elektroner: Från modeller till materialmodellering och simulering Vol 2. Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 978-3-89336-796-2.
JJ Murrell, SFA Kettle, JM Tedder. Den kemiska bindningen. Andra upplagan. John Wiley & Sons. 1985.
Roger G. Burns. Mineralogiska tillämpningar av Crystal Field Theory. Andra upplagan. Cambridge University Press. 1993.
Martin Gonzalez Soto. Vad är kvanttal, NANOVA https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi22f7M3IT2AhWEjaQKHTpjDiAQFno%FnoAeCEwFQA0%Fna%2QA00%Fna%2Qa are-the-quantum-numbers%2F&usg=AOvVaw3UoxJOhbgXxBBSGz6R6zxr
