Квантовые числа и орбитали

В увлекательном мире квантовой химии одним из самых фундаментальных понятий для понимания являются квантовые числа и орбитали. Эти концепции формируют основу нашего понимания структуры атомов и поведения электронов в атоме. Каждый электрон занимает определенный набор орбиталей, определяемых квантовыми числами, что помогает определить, как атомы взаимодействуют в химических реакциях.

Квантовые числа: Адреса электронов

Квантовые числа подобны системе адресации для электронов в атоме, указывая, где можно найти каждый электрон внутри атома. Существует четыре основных квантовых числа: главное квантовое число (n), азимутальное квантовое число или квантовое число орбитального момента количества движения (l), магнитное квантовое число (m_l) и спин квантовое число (m_s).

Главное квантовое число (n)

Главное квантовое число, обозначаемое n, указывает основной энергетический уровень или оболочку электрона в атоме. Эти энергетические уровни подобны круговым орбитам, расположенным на увеличивающихся расстояниях от ядра. По мере увеличения n увеличивается энергия и размер орбитали, что означает, что электроны находятся дальше от ядра.

n может принимать положительные целые значения: 1, 2, 3, 4 и т.д. Более высокие главные квантовые числа соответствуют более высоким уровням энергии:

n = 1 (первая оболочка)
n = 2 (вторая оболочка)
n = 3 (третья оболочка)
    

Например, одноэлектронный водородный атом имеет электрон в состоянии n = 1 в своем основном состоянии, что является состоянием наименьшей энергии.

Азимутальное квантовое число (l)

Азимутальное квантовое число, также известное как квантовое число орбитального момента количества движения, обозначается l и определяет форму орбитали. Для заданного главного квантового числа n, l может иметь целые значения в пределах от 0 до n-1.

Для n = 1, l = 0
Для n = 2, l = 0, 1
Для n = 3, l = 0, 1, 2
    

Эти значения соответствуют различным размерам орбиталей:

• l = 0: s орбиталь (сферическая)
• l = 1: p орбиталь (в форме гантели)
• l = 2: d орбиталь (в форме клеверного листа)
• l = 3: f орбиталь (сложная форма)

Магнитное квантовое число (m_l)

Магнитное квантовое число, обозначаемое m_l, определяет ориентацию орбитали в пространстве относительно трех осей (x, y, z). Для заданного значения l, m_l может иметь целые значения в пределах от -l до +l.

Для l = 0, m_l = 0
Для l = 1, m_l = -1, 0, 1
Для l = 2, m_l = -2, -1, 0, 1, 2
    

Каждая орбиталь может содержать два электрона, которые отличаются свойством, определяемым четвертым квантовым числом, которым является спин электрона.

Спин квантовое число (m_s)

Спин квантовое число, m_s, описывает внутренний спин электрона, что является фундаментальным квантовым свойством. Оно имеет два возможных значения: +1/2 или -1/2. Это свойство позволяет каждой орбитали содержать два электрона с противоположными спинами.

Согласно принципу запрета Паули, никакие два электрона в одном атоме не могут иметь одинаковый набор четырех квантовых чисел. Поэтому в любой орбитали спины двух электронов должны быть противоположными (+1/2 и -1/2).

Понимание орбиталей

Концепция орбиталей

В квантовой химии орбиталь — это математическая функция, описывающая волновое поведение электронов в атомах. Орбиталь можно рассматривать как область пространства, где существует высокая вероятность нахождения электрона. Орбитали определяются тремя квантовыми числами n, l и m_l.

В отличие от орбит в модели Бора, орбиты не определяют фиксированный путь для электронов, а скорее определяют область в форме облака, где электроны, вероятно, находятся.

Изучение орбиталей помогает нам понять, как электроны размещаются в атомах и как они участвуют в химическом связывании.

s-орбитали

s-орбитали сферические и существуют на каждом энергетическом уровне, начиная с n=1. Размер s-орбитали увеличивается с увеличением главного квантового числа n.

Форма: Круглая
Пример:
1s, 2s, 3s обозначают s-орбитали на различных энергетических уровнях.
    

Выше круг является представлением s-орбитали, где электрон имеет одинаковую вероятность быть найденным в любой точке вокруг ядра.

p-орбитали

p-орбитали имеют форму гантели и существуют на энергетических уровнях, где n >= 2. Для каждого главного квантового числа n больше 2 существует три p-орбитали (l = 1), ориентированных вдоль осей x, y и z. Они называются p_x, p_y и p_z.

Форма: Гантель
Пример:
2p, 3p, 4p обозначают p-орбитали на соответствующих энергетических уровнях.
    

Эллипсы выше показывают форму p-орбитали. Обратите внимание, как они протягиваются в противоположные стороны, что указывает на форму гантели.

d-орбитали

d-орбитали имеют более сложные формы, чем s и p орбитали. Эти орбитали существуют начиная с n=3, где l = 2. Существует пять возможных d-орбиталей: d_xy, d_yz, d_zx, d_{x^2-y^2} и d_{z^2}.

Форма: Клеверный лист
Пример:
3d, 4d обозначают d-орбитали на различных энергетических уровнях.
    

SVG показывает, как d-орбитали можно рассматривать с лопастями, ориентированными в специфических пространственных направлениях. Эта форма клеверного листа позволяет d-орбиталям участвовать в сложных сценариях связывания.

f-орбитали

f-орбитали еще более сложные и появляются на энергетическом уровне n=4, где l=3. Формы очень сложные, и эти орбитали важны в химии элементов лантанидов и актинидов.

Пример:
4f, 5f обозначают f-орбитали на различных энергетических уровнях.
    

Наблюдение за f-орбиталями сложно, потому что они имеют сложные формы и содержат множество лопастей. Эти орбитали оказывают значительное влияние на химические свойства и поведение связывания тяжёлых элементов.

Роль квантовых чисел в электронной конфигурации

Квантовые числа не только помогают находить положение электрона в атоме, но и играют ключевую роль в написании электронной конфигурации элемента. Элементы танкостей показывает распределение электронов среди разных орбиталей. Оно определяет, как атомы связываются и взаимодействуют химически.

Пример: атом гелия

1s2

Конфигурация показывает, что два электрона гелия полностью заполняют 1s орбиталь. Каждый набор орбиталей может содержать определённое количество электронов, определяемое принципом исключения и ограничениями квантовых чисел.

Пример: атом кислорода

1s2 2s2 2p4

Эта конфигурация показывает, что первые два электрона находятся на 1s орбитали, следующие два на 2s орбитали, а оставшиеся четыре на 2p орбитали, что придаёт кислороду его уникальные химические свойства.

Создание атомов: принцип наслоения

Принцип наслоения - это метод, используемый для определения электронной конфигурации элемента. Он утверждает, что электроны занимают орбитали с наименьшей энергией сначала. Чтобы понять эту концепцию, необходимо знать порядок повышения уровней энергии орбиталей, например:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s
    

Эта теория помогает предсказывать размещение электронов (заполнение орбиталей) в многоэлектронных атомах, фактически создавая периодическую таблицу элементов.

Вывод

Квантовые числа и орбитали являются центральными концепциями в квантовой химии, определяющими пространственное распределение и энергетические состояния электронов. Состояние электрона в атоме выражается через квантовые числа, которые значительно влияют на химические свойства и реактивность атома. Понимание этих фундаментальных принципов позволяет химикам предсказывать поведение атомов в различных химических контекстах, что приводит к продвинутым открытиям в химии и смежных областях.

Комментарии