КВАНТНИ БРОЈЕВИ: ШТА И ШТА СУ, РЕШЕНЕ ВЕЖБЕ - ХЕМИЈА - 2026

У Бројеви квантне су они који описују дозвољене енергетска стања за честице. У хемији се користе посебно за електрон унутар атома, претпостављајући да је њихово понашање стајаћег таласа, а не сферног тела које орбитира око језгра.

Посматрајући електрон као стојећи талас, он може имати само конкретне и невољне вибрације; што другим ријечима значи да су њихови нивои енергије квантизирани. Према томе, електрон може заузети само она места која карактерише једначина која се зове тродимензионална таласна функција ѱ.

Извор: Пикабаи

Решења добијена из Сцхродингерове таласне једначине одговарају одређеним местима у простору где електрони путују унутар језгра: орбитали. Отуда, узимајући у обзир и таласну компоненту електрона, подразумева се да само у орбиталама постоји вероватноћа да ће се наћи.

Али где се играју квантни бројеви електрона? Квантни бројеви дефинишу енергетске карактеристике сваке орбиталне, а самим тим и стање електрона. Његове вредности се придржавају квантне механике, сложених математичких израчуна и апроксимација направљених од атома водоника.

Сходно томе, квантни бројеви попримају низ унапријед одређених вриједности. Њихов скуп помаже идентифицирати орбитале кроз које пролази одређени електрон, што заузврат представља енергетске нивое атома; као и електронска конфигурација која разликује све елементе.

На горњој слици приказана је уметничка илустрација атома. Иако мало претјерано, центар атома има већу густину електрона од њихових ивица. То значи да што се удаљеност од језгре повећава, то је мања вероватноћа проналаска електрона.

Исто тако, постоје регије унутар тог облака у којима је вјероватност проналаска електрона једнака нули, то јест, на орбиталама постоје чворови. Квантни бројеви представљају једноставан начин за разумевање орбитала и одакле потичу електронске конфигурације.

Шта и шта су квантни бројеви у хемији?

Квантни бројеви дефинирају положај било које честице. У случају електрона, они описују његово енергетско стање, и самим тим, у којој се орбитали налази. Нису све орбитале доступне за све атоме, и подлежу главном квантном броју н.

Главни квантни број

Дефинише главни енергетски ниво орбите, тако да се све ниже орбитале морају прилагођавати њој, као и њихови електрони. Овај број је директно пропорционалан величини атома, јер што су веће удаљености од језгра (већи атомски радијуси), већа је енергија потребна електронима за кретање кроз ове просторе.

Које вредности не можете да узмете? Цели бројеви (1, 2, 3, 4, …), које су њихове дозвољене вредности. Међутим, сам по себи не даје довољно информација за дефинисање орбитале, већ само њену величину. Да бисте детаљно описали орбитале, потребна су вам најмање два додатна квантна броја.

Азимут, угаони или секундарни квантни број

Означен је словом л, а захваљујући њему орбитала добија одређени облик. Полазећи од главног квантног броја н, које вредности узима овај други број? Пошто је други, он је дефинисан с (н-1) до нуле. На пример, ако је н једнак 7, тада је л (7-1 = 6). А опсег вредности му је: 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.

Још важнија од вредности л су слова (с, п, д, ф, г, х, и …) повезана са њима. Ова слова означавају облике орбитала: с, сферно; п, утези или кравате; д, лишће дјетелине; и тако даље с осталим орбиталима, чији су дизајни сувише компликовани да би се могли повезати са било којом фигуром.

У чему је корист досад? Ове орбитале са својим правилним облицима иу складу са апроксимацијама таласне функције одговарају подзупама главног енергетског нивоа.

Дакле, орбитала 7с означава да је то сферна поткољеница на нивоу 7, док орбита 7п означава другу која има облик тежине, али на истом енергетском нивоу. Међутим, ниједан од два квантна броја још увек не описује тачно "вероватноће где се налази" електрона.

Магнетни квантни број

Куглице су у простору уједначене, без обзира колико су ротиране, али исто није случај са "теговима" или са "листовима дјетелине". Ту се појављује магнетни квантни број мл, који описује просторну оријентацију орбите на тродимензионалној картезијанској оси.

Као што је управо објашњено, мл зависи од секундарног квантног броја. Стога, да би се одредиле његове дозвољене вредности, интервал (- л, 0, + л) мора бити написан и попуњен један по један, од једне крајности до друге.

На пример, за 7п, п одговара = 1, па су њени мл (-1, о, +1). Из тог разлога постоје три п орбитале (п _к , п, _и п _з ).

Директан начин израчунавања укупног броја мл је применом формуле 2 л + 1. Дакле, ако је л = 2, 2 (2) + 1 = 5, а пошто је л једнак 2, то одговара д орбитали, постоји обе пет д орбитале.

Поред тога, постоји још једна формула за израчунавање укупног броја мл за главни квантни ниво н (то јест занемаривање л): н ² . Ако је н једнак 7, тада је број укупних орбитала (без обзира на њихов облик) 49.

Спин квантни број

Захваљујући доприносу Паула АМ Дирац-а, добијено је последње од четири квантна броја, које се сада посебно односи на електрон, а не на његову орбиталу. Према Паулијевом принципу искључења, два електрона не могу имати исте квантне бројеве, а разлика између њих лежи у тренутку спина, мс.

Које вредности могу да приме мс? Два електрона дијеле исту орбиталу, један мора путовати у једном смјеру простора (+1/2), а други у супротном смјеру (-1/2). Дакле, мс има вредности (± 1/2).

Предвиђања за број атомске орбитале и дефинисање просторног положаја електрона као стојећег таласа експериментално су потврђена спектроскопским доказима.

Решене вежбе

Вежба 1

Какав је облик орбите 1с атома водоника и који су квантни бројеви који описују његов усамљени електрон?

Прво, с означава секундарни квантни број л, чији је облик сферни. Пошто с одговара вредности л једнакој нули (с-0, п-1, д-2, итд.), Број стања мл је: 2 л + 1, 2 (0) + 1 = 1 Односно, постоји 1 орбитала која одговара подсупљини л, а чија вредност је 0 (- л, 0, + л, али л вреди 0, јер је потплата с).

Због тога има јединствену орбиталу од 1 с јединственом оријентацијом у простору. Зашто? Јер је сфера.

Шта је спин тог електрона? Према Хундовом правилу, мора бити оријентисана као +1/2, јер је прва заузела орбиту. Стога, четири квантна броја за 1с ¹ електрон (водоника Електронска конфигурација) су: (1, 0, 0, +1/2).

Вежба 2

Које су поткољенице које би се могле очекивати за ниво 5, као и број орбитала?

Решавање за спор начин, када је н = 5, л = (н -1) = 4. Дакле, постоје 4 слојева (0, 1, 2, 3, 4). Свака потплата одговара различитој вредности л и има своје вредности мл. Ако би се прво одредио број орбитала, било би довољно да га удвостручимо да бисмо добили ону од електрона.

Доступни слојеви су с, п, д, ф и г; према томе, 5с, 5п, 5д, 5д и 5г. А њихове одговарајуће орбитале су дате интервалом (- л, 0, + л):

(0)

(-1, 0, +1)

(-2, -1, 0, +1, +2)

(-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3)

(-4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4)

Прва три квантна броја довољна су за завршетак дефинисања орбитала; и због тога су мл стања наведена као таква.

Да би се израчунао број орбитала за ниво 5 (а не укупни атом), било би довољно применити формулу 2 л + 1 за сваки ред пирамиде:

2 (0) + 1 = 1

2 (1) + 1 = 3

2 (2) + 1 = 5

2 (3) + 1 = 7

2 (4) + 1 = 9

Имајте на уму да се резултати могу добити и једноставним бројењем целих бројева у пирамиди. Број орбитала је тада њихов збир (1 + 3 + 5 + 7 + 9 = 25 орбитала).

Брз пут

Горњи израчун може се извести на много директнији начин. Укупан број електрона у овојници односи се на њен електронички капацитет и може се израчунати формулом 2н ² .

Дакле, за вежбу 2 имамо: 2 (5) ² = 50. Дакле, љуска 5 има 50 електрона, и пошто могу постојати само два електрона по орбити, постоји (50/2) 25 орбитала.

Вежба 3

Да ли је вероватно постојање орбита 2д или 3ф? Објасните.

Под-ћелије д и ф имају 2 и 3. за главни квантни број Да би се знало да ли су доступне, мора се проверити да ли ове вредности падају у интервалу (0,…, н-1) за секундарни квантни број. Пошто је н 2 за 2д, а 3 за 3ф, његови интервали за л су: (0,1) и (0, 1, 2).

Из њих се може приметити да 2 не улази (0, 1) или 3 не улази (0, 1, 2). Због тога, 2д и 3ф орбитале нису енергетски дозвољене и ниједан електрон не може проћи кроз подручје простора које је њима дефинисано.

То значи да елементи у другом периоду периодичне табеле не могу формирати више од четири везе, док они који припадају трећем периоду надаље могу то учинити у ономе што је познато као ширење валентне љуске.

Вежба 4

Која орбитала одговара следећим два квантна броја: н = 3 и л = 1?

Пошто је н = 3, ми смо у слоју 3, а л = 1 означава п орбиталу. Стога орбитала једноставно одговара 3п. Али постоје три п орбитале, па би било потребно магнетно квантно бројање мл да се утврди одређена орбитала међу њима.

Вежба 5

Какав је однос између квантних бројева, конфигурације електрона и периодичне табеле? Објасните.

Пошто квантни бројеви описују енергетске нивое електрона, они такође откривају електронску природу атома. Атоми су, према томе, распоређени у периодичној табели према њиховом броју протона (З) и електрона.

Групе периодичне табеле деле карактеристике да имају исти број валентних електрона, док периоди одражавају енергетски ниво у коме се ови електрони налазе. И који квантни број дефинише ниво енергије? Главни, н. Као резултат тога, н је једнак периоду који заузима атом хемијског елемента.

Исто тако, из квантних бројева добијају се орбитале које, након што су наручене са Ауфбау конструкцијским правилом, дају електронску конфигурацију. Стога су квантни бројеви у конфигурацији електрона и обрнуто.

На пример, конфигурација електрона 1с ² указује да постоје два електрона у поддужници, једне орбите и у љусци 1. Ова конфигурација одговара конфигурацији атома хелија, а њена два електрона се могу разликовати користећи квантни број завртети; један ће имати вредност +1/2, а други -1/2.

Вежба 6

Који су квантни бројеви за 2п ⁴ поткољенице атома кисеоника?

Постоје четири електрона (4 изнад п). Сви су на нивоу н једнаком 2, заузимају поткоље л једнако 1 (орбитале са тежинским облицима). До тада, електрони деле прва два квантна броја, али се разликују од преостала два.

Пошто је л једнак 1, мл узима вредности (-1, 0, +1). Стога постоје три орбитале. Узимајући у обзир Хундово правило испуњавања орбитала, постојат ће упарени пар електрона и два од њих парних (↑ ↓ ↑ ↑).

Први електрон (са леве на десно од стрелице) имаће следеће квантне бројеве:

(2, 1, -1, +1/2)

Преостала два преостала

(2, 1, -1, -1/2)

(2, 1, 0, +1/2)

А за електрон у последњој 2п орбити, стрелица крајње десно

(2, 1, +1, +1/2)

Имајте на уму да четири електрона деле прва два квантна броја. Само први и други електрони деле квантни број мл (-1), пошто су упарени у истој орбитали.

Референце

1. Вхиттен, Давис, Пецк и Станлеи. Хемија. (8. изд.). ЦЕНГАГЕ Леарнинг, стр. 194-198.
2. Квантни бројеви и електронске конфигурације. (сф) Преузето са: цхемед.цхем.пурдуе.еду
3. Цхемистри ЛибреТектс. (25. марта 2017). Квантни бројеви. Опоравак од: цхем.либретектс.орг
4. Хелменстине МА Пх.Д. (26. априла 2018.). Квантни број: Дефиниција. Опоравак од: тхинкцо.цом
5. Орбитале и квантни бројеви вежбају питања. . Преузето са: утдаллас.еду
6. ЦхемТеам. (сф) Проблеми с квантним бројем. Опоравак од: цхемтеам.инфо