Tabla de Contenidos
Vật chất được tạo thành từ các hạt nhỏ gọi là nguyên tử. Đến lượt chúng, chúng được tạo thành từ một hạt nhân nhỏ tích điện dương, được bao quanh bởi một đám mây điện tử tích điện âm. Số lượng tử là một chuỗi các số nguyên hoặc phân số đơn giản được sử dụng để mô tả, theo một cách đơn giản, cách các electron này được cấu trúc xung quanh hạt nhân . Những số lượng tử này cho phép chúng ta xác định các vùng trong không gian có thể tìm thấy các electron, được gọi là quỹ đạo nguyên tử.
Hiểu số lượng tử là bước đầu tiên để hiểu cấu hình điện tử của các nguyên tố, cho phép chúng ta hiểu một cách rất đơn giản và tinh tế về sự biến đổi của vật chất được nghiên cứu trong hóa học.
Thuyết lượng tử và phương trình Schrödinger
Vật lý mô tả chuyển động của các viên đạn và các hành tinh ngừng hoạt động tốt khi mọi thứ vô cùng nhỏ. Lý thuyết mô tả tốt nhất vật chất ở cấp độ nguyên tử là lý thuyết lượng tử. Giống như các định luật Newton tạo thành cơ sở của vật lý cổ điển, một trong những cơ sở cơ bản của lý thuyết lượng tử là phương trình Schrödinger, từ đó phát sinh các số lượng tử và quỹ đạo nguyên tử.
Phương trình Schrödinger là một phương trình vi phân mô tả hành vi của các electron dưới dạng sóng. Trong phiên bản đơn giản nhất, nó được viết như sau:
Ψ là hàm sóng, mô tả toán học cho nguyên tử.
Hàm sóng và obitan nguyên tử
Các quỹ đạo nguyên tử phát sinh từ phương trình Schrödinger hay chính xác hơn là từ hàm sóng. Trong một thời gian dài, người ta đã thảo luận về ý nghĩa của hàm sóng, cho đến khi người ta phát hiện ra rằng bình phương của nó, tức là Ψ 2 , xác định xác suất tìm thấy một electron ở một vị trí nhất định trong không gian.
Điều này cho phép các nhà vật lý và hóa học lượng tử xác định các vùng xung quanh hạt nhân nơi các electron có nhiều khả năng được tìm thấy nhất, do đó có khái niệm hiện đại về quỹ đạo nguyên tử. Trên thực tế, một quỹ đạo nguyên tử được định nghĩa trong hóa học và cơ học lượng tử là vùng không gian trong đó có 90% xác suất tìm thấy electron .
Số lượng tử
Phương trình Schrödinger không phải là phương trình chỉ có một nghiệm. Trên thực tế, có vô số nghiệm cho phương trình này và tất cả chúng đều được xác định bởi các số lượng tử. Chính thức, các số lượng tử phát sinh từ các hàm sóng khác nhau thu được bằng cách giải phương trình Schrödinger cho nguyên tử hydro. Mỗi sự kết hợp của những con số này dẫn đến một hàm sóng khác nhau, và do đó tạo ra một quỹ đạo nguyên tử khác nhau.
Các số lượng tử là gì và chúng đáng giá bao nhiêu?
Có ba số lượng tử xác định quỹ đạo nguyên tử và một số lượng tử bổ sung xác định một electron cụ thể được tìm thấy trong quỹ đạo đó. Những con số này là:
- Số lượng tử chính hoặc mức năng lượng (n)
- Số lượng tử thứ cấp hoặc động lượng góc ( l )
- Số lượng tử từ (m l )
- Số lượng tử spin của electron (m s )
Số lượng tử chính hoặc mức năng lượng (n)
Số lượng tử chính xác định, trong nguyên tử hydro, mức năng lượng của một quỹ đạo. Nó cũng xuất hiện trong mô hình nguyên tử của Bohr và có liên quan đến khoảng cách trung bình của các electron từ hạt nhân. Trong các nguyên tử có nhiều hơn một electron, mức năng lượng thực tế của mỗi obitan cũng phụ thuộc vào sự có mặt của các electron trong các obitan khác.
Số lượng tử này chỉ có thể nhận các giá trị là các số tự nhiên: 1, 2, 3,…
Tập hợp các quỹ đạo tạo nên mỗi mức năng lượng chính được gọi là vỏ và nó được liên kết với một chữ cái viết hoa của bảng chữ cái, bắt đầu bằng K.
| số lượng tử chính (n) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6… |
| Lớp | k | l | tôi | KHÔNG. | HOẶC | P… |
Số lượng tử thứ cấp hoặc động lượng góc ( l )
Động lượng góc xác định hình dạng của quỹ đạo. Trong mỗi lớp vỏ hoặc mức năng lượng chính, có thể có một số loại quỹ đạo khác nhau được phân biệt bằng giá trị của xung lượng góc của chúng, đối với mỗi loại có hình dạng đặc trưng.
Các giá trị có thể có của momen động lượng phụ thuộc vào số lượng tử chính. Trên thực tế, động lượng góc, l , chỉ có thể nhận giá trị là những số nguyên đi từ không (0) đến n – 1 .
Điều này có nghĩa là ở mức n=1, l chỉ có thể nhận giá trị n-1=0. Ở mức n=2, l có thể lấy 0 và 1 làm giá trị, v.v.
Số xung lượng góc còn được gọi là lớp con năng lượng và tập hợp các quỹ đạo trong mỗi lớp con cũng được gọi là lớp con. Mỗi mức con cũng được liên kết với một chữ cái viết thường có liên quan đến hình dạng hàm sóng. Bảng sau đây cho thấy mối quan hệ này:
| Số lượng tử động lượng góc ( l ) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4… |
| Lớp | Đúng | P | đ | F | g… |
Số lượng tử từ (m l )
Momen từ ml liên quan đến sự định hướng trong không gian của mỗi obitan.
Số lượng tử này chỉ có thể nhận giá trị là những số nguyên nằm trong khoảng từ –l đến +l , bao gồm cả số không.
Ví dụ: nếu l =2 (mức phụ d) thì m l có thể nhận các giá trị -2, -1, 0, +1 và +2.
Mỗi giá trị của momen từ trong mỗi lớp con xác định một quỹ đạo cụ thể. Khi đó, có thể nói rằng số lượng tử số khả dĩ từ tính cho biết có bao nhiêu obitan trong mỗi lớp con.
Hướng của các quỹ đạo thường được xác định bằng các trục tọa độ Descartes, x, y và z , và điều này phụ thuộc vào loại quỹ đạo được đề cập.
Các quỹ đạo s có dạng hình cầu, vì vậy chúng không có bất kỳ hướng ưu tiên nào, vì vậy không cần chỉ định giá trị ml ( bằng 0) của chúng. Trong trường hợp quỹ đạo p, các hướng x, y và z thường được gán cho các số -1, 0 và +1 tương ứng.
Đây là lý do tại sao có một obitan s, ba obitan p, 5 obitan d, v.v., cho mỗi mức năng lượng (miễn là n đủ lớn).
n, l và l xác định một quỹ đạo
Từ những điều trên, suy ra rằng, để xác định một quỹ đạo nguyên tử, chỉ cần xác định một tổ hợp cụ thể của ba số lượng tử đầu tiên. Bảng sau đây cho thấy một số ví dụ về quỹ đạo nguyên tử của nguyên tử hydro với các số lượng tử tương ứng của chúng.
| KHÔNG | Anh ta | m l | quỹ đạo |
| 1 | 0 | 0 | 1 giây |
| 2 | 0 | 0 | 2 giây |
| 2 | 1 | -1 | 2p x |
| 2 | 1 | 0 | 2p và |
| 2 | 1 | +1 | 2p z |
| 3 | 0 | 0 | 3 giây |
| 3 | 1 | -1 | 3px _ |
| 3 | 1 | 0 | 3px _ |
| 3 | 1 | +1 | 3px _ |
| 3 | 2 | -2 | 3d xy |
| 3 | 2 | -1 | 3d xz |
| 3 | 2 | 0 | 3d và z |
| 3 | 2 | +1 | 3d x2-y2 |
| 3 | 2 | +2 | 3d z2 |
Số lượng tử spin của electron (m s )
Cuối cùng, chúng ta có số lượng tử spin của electron. Số lượng tử này cho biết hướng mà mỗi electron quay (spin có nghĩa là quay trong tiếng Anh).
Spin của electron chỉ có thể có giá trị +1/2 hoặc -1/2.
Sự quay của một electron làm cho nó tạo ra một từ trường, và từ trường này chỉ có thể chỉ theo một trong hai hướng ngược nhau. Vì lý do này, độ xoáy thường được biểu thị bằng mũi tên hướng lên hoặc hướng xuống, tùy thuộc vào độ xoáy là +1/2 hay -1/2.
Việc electron chỉ có thể có 2 giá trị spin và việc 2 electron trong cùng một nguyên tử không thể có 4 số lượng tử giống nhau (cái gọi là nguyên lý loại trừ Pauli) có nghĩa là trong mỗi obitan chỉ có thể có tối đa của hai electron có spin ngược chiều nhau được gọi là đã ghép đôi.
Người giới thiệu
Atkins, Peter & Julio de Paula . (2014). Atkins ‘Hóa học Vật lý. (Rev. ed.). Oxford, Vương quốc Anh: Nhà xuất bản Đại học Oxford.
Chang, R. (2008). Hóa học vật lý (tái bản lần 1 ). Thành phố New York, New York: Đồi McGraw.
Epiotis, N., & Henze, D. (2003). Bảng tuần hoàn (Hóa học). Encyclopedia of Physical Science and Technology , 671–695. https://doi.org/10.1016/b0-12-227410-5/00551-2
Hernandez E., D., Astudillo S., L. (2013). Biết các số lượng tử. Giáo dục Hóa học, Tập 24, Bổ sung 2, 485-488. Lấy từ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0187893X13725175
Pauling, L. (2021). Giới thiệu về Cơ học lượng tử: Với các ứng dụng cho Hóa học (Ấn bản đầu tiên). Thành phố New York, New York: McGraw-Hill.
Hóa học.is. (nd). số lượng tử. Lấy từ https://www.quimica.es/enciclopedia/N%C3%BAmero_cu%C3%A1ntico.html
Urone, PP, & Hinrichs, R. (2012, ngày 21 tháng 6). 30.8 Số lượng tử và Quy tắc – Vật lý Đại học | OpenStax. Truy cập ngày 24 tháng 7 năm 2021, từ https://openstax.org/books/college-physics/pages/30-8-quantum-numbers-and-rules
