Graduação
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Números quânticos


Compreender a estrutura dos átomos é fundamental na química. Átomos, que são as unidades básicas da matéria, são compostos de prótons, nêutrons e elétrons. Destes, os elétrons desempenham um papel importante na ligação química e determinam as propriedades químicas de um átomo. Os elétrons residem em regiões de espaço ao redor do núcleo chamadas orbitais. Esses orbitais podem ser descritos usando números quânticos.

Números quânticos são conjuntos de valores numéricos que fornecem soluções para a equação de Schrödinger para o átomo de hidrogênio. Eles descrevem várias propriedades dos orbitais e as propriedades dos elétrons dentro desses orbitais. Existem quatro números quânticos, cada um dos quais detalha um aspecto específico da configuração do elétron: o número quântico principal (n), o número quântico azimutal (l), o número quântico magnético (ml) e o número quântico de spin (ms).

1. Número quântico principal (n)

O número quântico principal, n, indica o nível principal de energia ou camada em que o elétron reside. É um número inteiro positivo (1, 2, 3, ...). O valor de n indica o tamanho relativo e a energia dos orbitais atômicos. Quanto maior o valor de n, maior a distância do elétron ao núcleo e, portanto, maior o orbital atômico.

Número quântico principal (n) n=1 n=2 n=3

Por exemplo, na configuração eletrônica de um átomo, você pode ver sinais como estes:

1s 2 2s 2 2p 6

Aqui, 1 e 2 representam o número quântico principal. Quando n é igual a 1, indica a primeira camada, e n igual a 2 indica a segunda camada, e assim por diante.

O número de elétrons que uma camada pode conter é dado pela seguinte fórmula:

2n 2

Portanto, a primeira camada (n = 1) pode conter no máximo 2 elétrons, a segunda camada (n = 2) pode conter no máximo 8 elétrons, e assim por diante.

2. Número quântico azimutal (l)

O número quântico azimutal, l, também conhecido como número quântico de momento angular, define a forma do orbital. Ele pode assumir valores inteiros de 0 até n - 1 para cada camada.

Os valores de l correspondem a diferentes subcamadas ou tipos de orbitais. A nomenclatura comum para estes é:

  • l = 0: s-orbital
  • l = 1: p-orbital
  • l = 2: d-orbital
  • l = 3: f-orbital
Número quântico azimutal (l) s-orbital (l=0) p-orbital (l=1) d-orbital (l=2)

s-orbital é esférico, p-orbital é em forma de haltere, e d-orbital pode ter formas mais complexas, muitas vezes descritas como folha de trevo.

O número quântico azimutal l não somente caracteriza a forma do orbital, mas também contribui para a energia do elétron. Dentro do mesmo número quântico principal, orbitais com diferentes valores de l têm níveis de energia ligeiramente diferentes.

3. Número quântico magnético (ml)

O número quântico magnético, m l, descreve a orientação do orbital no espaço em relação a outros orbitais. Ele pode assumir valores inteiros de -l a +l, incluindo zero.

Por exemplo, se l = 1 (um orbital p), então m l pode ser -1, 0 ou +1. Isso resulta em três orientações possíveis para o orbital p, frequentemente denotadas como p x, p y, e p z.

Número quântico magnético (ML) pz orbital (ml=0)

Este número quântico é importante em campos magnéticos, onde ele determina o deslocamento nos níveis de energia. Por isso, é chamado de número quântico "magnético".

4. Número quântico de spin (ms)

O número quântico de spin, ms, descreve o spin do elétron, que pode ser +1/2 ou -1/2. O spin do elétron é uma propriedade fundamental, assim como a carga ou a massa, e dá origem às propriedades magnéticas do átomo.

Em um dado orbital, o princípio da exclusão de Pauli afirma que nenhum dois elétrons podem ter o mesmo conjunto de todos os quatro números quânticos. Assim, se houver um par de elétrons em um orbital, seus spins devem ser opostos - um +1/2 e o outro -1/2.

Número quântico de spin (ms) MS=+1/2 MS=-1/2

O spin do elétron é importante para entender fenômenos como o emparelhamento de elétrons e a reatividade química das substâncias.

Aplicações dos números quânticos

Números quânticos são fundamentais para entender as várias propriedades e comportamentos de átomos e moléculas. Eles são ferramentas essenciais para os químicos entenderem a disposição dos elétrons em um átomo. Aqui estão algumas aplicações:

  • Configuração eletrônica: Números quânticos nos permitem escrever a configuração eletrônica dos átomos, o que mostra a distribuição dos elétrons entre os orbitais.
  • Espectroscopia: Na espectroscopia, números quânticos explicam as linhas espectrais. Diferentes transições de elétrons entre níveis de energia quantizados resultam em linhas espectrais que são específicas para cada elemento.
  • Ligação química: O emparelhamento de elétrons, regido por números quânticos, é importante na formação de ligações covalentes e iônicas.
  • Magnetismo: O número quântico de spin ajuda a explicar as propriedades magnéticas dos materiais. Materiais com elétrons desemparelhados exibem magnetismo.

Conclusão

Números quânticos identificam de forma única a localização e as propriedades de um elétron dentro de um átomo. Compreender esses conceitos proporciona uma melhor compreensão da teoria atômica e das reações químicas. Este conhecimento é a espinha dorsal da química moderna e desempenha um papel vital nos avanços científicos na química, física e ciência dos materiais.


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