Kvantnummer och elektroniska orbitaler

Kemi är mestadels studiet av elektroninteraktioner mellan atomer och molekyler. Att förstå elektronernas beteende i en atom, som Aufbau-principen, är en viktig del av att förstå kemiska reaktioner. Tidigare atomteorier använde idén att en atoms elektron följde samma regler som ett minisolsystem där planeterna var elektroner som kretsade kring en central protonsol. Elektriska attraktiva krafter är mycket starkare än gravitationskrafter, men följer samma grundläggande omvända kvadratregler för avstånd. Tidiga observationer visade att elektronerna rörde sig mer som ett moln som omger kärnan snarare än en enskild planet. Formen på molnet, eller kretsloppet, berodde på mängden energi, vinkelmoment och magnetisk moment för den enskilda elektronen. Egenskaperna hos en atoms elektronkonfiguration beskrivs med fyra kvantantal: n, ℓ, m, och s.

Första kvantumret

Den första är energinivåkvantantalet, n. I en bana är banor med lägre energi nära attraktionskällan. Ju mer energi du ger en kropp i bana, desto längre "ut" går den. Om du ger kroppen tillräckligt med energi kommer det att lämna systemet helt. Detsamma gäller för en elektronbana. Högre värden på n betyder mer energi för elektron och motsvarande radie för elektronmoln eller orbital är längre bort från kärnan. Värden för n börja vid 1 och gå upp med heltal. Ju högre värdet på n, desto närmare motsvarar motsvarande energinivåer varandra. Om tillräckligt med energi läggs till elektronen kommer den att lämna atomen och lämna en positiv jon kvar.

Andra kvantumret

Det andra kvanttalet är vinkelkvanttalet, ℓ. Varje värde på n har flera värden på ℓ som sträcker sig i värden från 0 till (n-1). Detta kvantantal bestämmer 'form' på elektronmolnet. I kemi finns det namn för varje värde på ℓ. Det första värdet, ℓ = 0 kallas en s orbital. s orbitaler är sfäriska, centrerade på kärnan. Den andra, ℓ = 1 kallas en p orbital. p orbitaler är vanligtvis polära och bildar en teardrop kronblad med punkten mot kärnan. ℓ = 2 orbital kallas d orbital. Dessa orbitaler liknar p-banans form, men med mer "kronblad" som en klöverblad. De kan också ha ringformer runt kronbladens botten. Nästa orbital, ℓ = 3 kallas f orbital. Dessa orbitaler tenderar att likna d orbital, men med ännu fler "kronblad". Högre värden på ℓ har namn som följer i alfabetisk ordning.

Tredje kvantantalet

Det tredje kvanttalet är det magnetiska kvanttalet, m. Dessa nummer upptäcktes först i spektroskopi när gasformiga element exponerades för ett magnetfält. Spektrallinjen motsvarande en viss bana skulle delas upp i flera linjer när ett magnetfält skulle införas över gasen. Antalet delade linjer skulle vara relaterat till vinkelkvantantalet. Detta förhållande visar för varje värde på ℓ, en motsvarande uppsättning värden på m som sträcker sig från -ℓ till ℓ hittas. Detta nummer bestämmer banans orientering i rymden. Till exempel motsvarar p-orbitaler ℓ = 1, kan ha m värden -1,0,1. Detta skulle representera tre olika orienteringar i rymden för de två kronbladen av den orbitala formen. De definieras vanligtvis som p_x, p_y, p_z att representera axlarna som de anpassar sig till.

Fjärde kvantumret

Det fjärde kvantumret är spinnkvanttalet, s. Det finns bara två värden för s, +½ och -½. Dessa kallas också 'spin up' och 'spin down'. Detta nummer används för att förklara beteendet hos enskilda elektroner som om de snurrade medurs eller moturs. Den viktiga delen av orbitalerna är det faktum att varje värde på m har två elektroner och behövde ett sätt att skilja dem från varandra.

Förhållande av kvantumret till elektroniska orbitaler

Dessa fyra siffror, n, ℓ, m, och s kan användas för att beskriva en elektron i en stabil atom. Varje elektron kvantnummer är unika och kan inte delas med en annan elektron i den atomen. Den här egenskapen kallas Pauli-uteslutningsprincipen. En stabil atom har lika många elektroner som protoner. Reglerna som elektronerna följer för att orientera sig runt sin atom är enkla när reglerna för kvantantal förstås.

För granskning

• n kan ha heltal: 1, 2, 3, ...
• För varje värde av n, ℓ kan ha heltal från 0 till (n-1)
• m kan ha valfritt heltal, inklusive noll, från -ℓ till + ℓ
• s kan vara antingen + ½ eller -½