Số lượng tử: quỹ đạo S, P, D và F và động lượng góc

Các nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân, được tạo thành từ các neutron và proton và các electron quay quanh hạt nhân . Các quỹ đạo mà các electron mô tả, các vị trí trong không gian của nguyên tử mà chúng di chuyển qua, tạo thành một khía cạnh cơ bản trong các phản ứng hóa học và trong các cấu trúc nguyên tử và phân tử mà chúng tạo nên. Những vị trí trong không gian của các nguyên tử mà các electron di chuyển là các quỹ đạo . Quỹ đạo đơn giản nhất là quỹ đạo của electron duy nhất mà nguyên tử hydro có, có dạng hình cầu. Nhưng khi các nguyên tố có số lượng electron lớn hơn, các quỹ đạo mà chúng di chuyển qua đó ngày càng phức tạp, cho đến khi đạt đến trường hợp của uranium, có 92 electron và là nguyên tố tự nhiên có số lượng electron lớn nhất.

Cơ học lượng tử và electron trong nguyên tử

Hình dạng của quỹ đạo cũng như các tính chất khác của electron trong nguyên tử được mô tả bằng cơ học lượng tử, cơ học xác định rằng các tham số vật lý như năng lượng và vị trí có các giá trị xác định; chúng không phải là các tham số liên tục như trong cơ học cổ điển, nơi chúng có thể có bất kỳ giá trị nào. Do đó, năng lượng của các electron, giống như những nơi mà chúng đi qua trong không gian của nguyên tử, chỉ có thể có những giá trị xác định.

Năng lượng và vị trí của một electron quay quanh hạt nhân của một nguyên tử được mô tả bởi một hàm toán học gọi là hàm sóng , là nghiệm của phương trình Schrödinger . Hàm này biểu thị xác suất mà electron có thể ở một vị trí nhất định tại một thời điểm nhất định. Và bây giờ chúng ta đang nói về xác suất bởi vì cơ học lượng tử cũng chứng minh rằng không thể xác định chính xác hai tham số vật lý của một hạt như electron , chẳng hạn như năng lượng và thời gian, hoặc vị trí và động lượng (lượng chuyển động: tích khối lượng của nó lần vận tốc của nó) của hạt.

Số lượng tử

Hàm biểu thị xác suất mà electron có thể ở một vị trí nhất định tại một thời điểm nhất định là tích của bốn hàm: ba hàm liên quan đến vị trí của electron (một hàm phụ thuộc vào khoảng cách từ hạt nhân của nguyên tử và hai hàm còn lại phụ thuộc vào tọa độ góc của nó) và phần còn lại liên quan đến chuyển động quay của electron. Các chức năng này bao gồm những gì được gọi là số lượng tử , đó là bốn:

• Số lượng tử chính n , gắn liền với năng lượng của electron và có giá trị nguyên dương.
• Số lượng tử phương vị l , liên quan đến động lượng góc của electron (động lượng góc: tích của khối lượng nhân với tốc độ quay của nó) được biểu thị bằng các chữ cái; s cho l = 0; p cho l =1, d cho l =2, f cho l =3. Danh pháp của số l với các chữ cái có nguồn gốc từ việc nghiên cứu quang phổ của các kim loại kiềm, trong đó các vạch quang phổ được nhóm lại, theo tên của chúng trong tiếng Anh, thành sắc nét ( được xác định rõ, s ), hiệu chính (chính,p ), khuếch tán (diffuses, d ) và cơ bản (cơ bản, f ).
• Thứ ba là số lượng tử là từ m hay ml _{gắn liền} với sự định hướng của momen động lượng của electron . Ví dụ, sự biến đổi của số lượng tử này tạo ra năm phân bố thùy của các nguyên tố có 3 quỹ đạo d được chỉ ra trong hình. Sự phân bố electron này rất quan trọng, vì nó tương ứng với các nguyên tố tạo nên các vật liệu khác nhau có trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, các kim loại chuyển tiếp crom, coban, đồng, sắt, niken, mangan, scandium, titan và vanadi. Trong trường hợp mức s , số lượng tử từ m _lchỉ cho phép quỹ đạo hình cầu (xem hình); ở mức p , nó cho phép ba dạng quỹ đạo và ở mức f , nó cho phép 7 dạng quỹ đạo.

Số lượng tử thứ tư là m _s , spin của electron, liên quan đến chuyển động quay của nó.

Cấu trúc điện tử của nguyên tử

Cấu trúc electron của mỗi nguyên tố được cấu tạo theo cấp số tăng dần của các số lượng tử, phụ thuộc vào điều kiện mà mỗi nguyên tố đó đặt ra. Tiến trình như sau (số nguyên là số lượng tử chính n và chữ cái là số lượng tử phương vị 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

Ngoài ra, cần phải xem xét rằng mỗi obitan có thể chứa tối đa 2 electron có spin ngược chiều nhau nên các mức s có thể có tối đa 2 electron; các mức p , có 3 obitan _{được cho phép} bởi số lượng tử từ ml , có thể có tới 6 electron; vỏ d , có 5 obitan cho phép (xem hình), có thể chứa tối đa 10 electron và vỏ f , có 7 obitan cho phép, có thể chứa tối đa 14 electron.

Theo tiêu chí này, hydro (H), chỉ có một electron, sẽ có cấu trúc 1 s ¹ , trong đó chỉ số trên 1 chỉ ra rằng chỉ có một electron trong quỹ đạo 1 s . Helium (He), với hai electron, sẽ có cấu trúc 1 s ² (hai electron trong obitan s ). Liti (Li), với ba electron, sẽ có cấu trúc điện tử 1 s ² 2 s ¹ . Và như thế. Sắt (Fe) chẳng hạn có 26 electron sẽ có cấu trúc electron 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p⁶ 3 d ⁶ 4 s ² ; mỗi và mọi một trong số 26 electron của sắt chuyển qua các quỹ đạo được thiết lập bởi cấu trúc điện tử này.

GHI CHÚ

Cần phải lưu ý rằng mặc dù từ quỹ đạo gợi ý khái niệm “quỹ đạo”, nhưng các electron thực tế, và bất chấp các mô hình nguyên tử ban đầu, không di chuyển xung quanh hạt nhân thực hiện các quỹ đạo, mà là “vận chuyển” từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác . , khi nguyên tử có nhiều hơn một, hoặc chúng vẫn ở quỹ đạo duy nhất của nguyên tử (trong trường hợp của hydro và heli), hoặc chúng chuyển sang quỹ đạo được chia sẻ bởi các nguyên tử tạo thành liên kết hóa học cộng hóa trị.

nguồn

E. Pavarini, E. Koch, F. Anders và M. Jarrell. Lý thuyết trường tinh thể, Phương pháp liên kết chặt chẽ và Hiệu ứng Jahn-Teller. Electron tương quan: Từ mô hình đến vật liệu Mô hình hóa và mô phỏng vật liệu Tập 2. Forschungszentrum Jülich, 2012, ISBN 978-3-89336-796-2.

JJ Murrell, Ấm siêu tốc SFA, JM Tedder. Liên Kết Hóa Học. Phiên bản thứ hai. John Wiley & Các con trai. 1985.

Roger G. Bỏng. Ứng dụng khoáng vật học của lý thuyết trường tinh thể. Phiên bản thứ hai. Nhà xuất bản Đại học Cambridge. 1993.

Martin González Soto. Số lượng tử, NANOVA là gì 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 – are-the-quantum-numbers%2F&usg=AOvVaw3UoxJOhbgXxBBSGz6R6zxr