Kvanttilukumateriaali: tyypit, esimerkkitehtävät (yhteenveto)

Yksinkertaisesti selitettynä kvanttiluku on luku, joka kuvaa elektronien sijaintia ja energiatasoja tai etäisyys atomin ytimestä kerralla, orbitaalien muoto, orbitaalien suunta ja elektronien spin, jotka sisältyvät mekaaniseen atomimalliin Kvantti.

Jokaisella atomilla on kiertorata, ja atomikiertoradalla on eri energiatasot. Saman kiertoradan energiatasolla on eri energiataso, jos atomit ovat erilaisia, joten vedyn kiertoradan 1s eroaa energiatasosta heliumin 1s-kiertoradalla.

Kvanttilukujen määritelmä

Aaltofunktiossa tällä numerolla on erityinen merkitys kuvaamaan kvanttitilanteen tilaa. Nämä luvut voivat kuvata elektronien tilaa atomissa. Vuonna 1926 Erwin Schrodinger ehdotti kvanttimekaniikan teoriaa.

Tämä teoria selittää atomin rakenteen. Tämä kvanttimekaaninen atomimalli ilmaistaan ​​matemaattisessa yhtälössä, nimittäin aaltoyhtälössä. Vetyatomin yhtälön ratkaiseminen tuottaa aaltofunktion tai atomiradan.

Tämä atomikiertorata kuvaa atomin elektronien kvanttimäärän tilannetta. Aaltofunktion neliö tarkoittaa, että on suuri todennäköisyys saada elektroni tietyssä tilavuudessa atomin ytimen ympärillä.

Kuten Heisenbergin epävarmuusperiaatteessa, elektronien paikkaa atomeissa ei voida määrittää. Kaikki mitä voidaan tietää, on paikka, jossa elektroni todennäköisimmin löytyy.

Kvanttilukujen tyypit

Atomin orbitaali muodostuu aaltofunktioista, jotka muodostavat kiertoradan. Yleisissä olosuhteissa atomin kiertoradan ominaisuuksia kuvataan neljällä numerolla, nimittäin n, l, m ja s.

1. Pääkvanttiluku (n)

Tämä luku koostuu positiivisista kokonaisluvuista alkaen 1 (yksi), jolloin n: n arvo on 1, 2, 3, 4, 5 ja niin edelleen. Tämä numero viittaa kuoreen, jonka atomin kiertoradalla on käytössä.

2. Atsimuuttikvanttiluku (l)

Tämä luku koostuu positiivisista kokonaisluvuista, jotka alkavat 0:sta (nolla), jolloin l: n arvo on 0, 1, 2, 3, 4, 5 ja niin edelleen. Näillä numeroilla on oma merkkinsä; 0 on s-orbitaali, 1 on p-orbitaali, 2 on d-orbitaali ja 3 on f-orbitaali.

3. Magneettinen kvanttiluku (m)

Tämä luku koostuu kokonaisluvuista, jotka alkavat 0 (nolla) - +/- 1, joten kunkin kiertoradan numeroarvo ei ole sama. S-orbitaalille m on 0, koska se on s-orbitaalissa, silloin l on 0. Kuitenkin d-orbitaaleille, joissa l on 2, m on -2, -1, 0, 1 ja 2.

4. Pyörimiskvanttinumero(t)

Jos edellinen numero ilmaisee orbitaalien suunnan, tämä numero kuvaa elektronin spiniä, jonka arvot ovat 1/2 ja -1/2.

Lukea: Kvanttimekaniikka

Orbitaalit ja kvanttiluvut

Jokaisella atomiradalla on ainutlaatuinen kolmen kvanttiluvun joukko. Nämä luvut ovat pääkvanttiluku (n), atsimuutti tai kulmamomentti (l) ja magneettinen (m). Nämä kolme numeroa kuvaavat useita asioita.

Näitä ovat kiertoradan energiatason, koon, muodon ja atomikiertoratojen mahdollisen säteittäisen jakauman suunnan kuvaaminen. Sitten on spin-luku (s), luku, joka kertoo elektronin spinin kiertoradalla.

Atomiradan muoto

Atomiradan muotoja on neljä niiden atsimuuttilukuarvojen perusteella. Neljä kiertoradan muotoa ovat seuraavat.

1. s kiertoradat

S-orbitaali on orbitaali, jonka l = 0. Se on muodoltaan pallomainen, ja sen ydin on keskellä. Koska pallolla on vain yksi suunta, kaikilla S-orbitaaleilla on vain yksi arvo m, eli m = 0. 1s-kiertoradalla on korkein elektronitiheys tai -tiheys atomiytimessä.

Atomitiheys pienenee sitten hitaasti, kun se siirtyy pois atomin ytimestä. 2s-kiertoradalla on kaksi korkean elektronitiheyden aluetta. Näiltä kahdelta alueelta on pallomainen solmu, jossa todennäköisyys kohdata elektroneja tällä alueella pienenee nollaan.

Kasvavien s-kiertoradan kärkien malli jatkuu 4s: llä, 5s: llä ja niin edelleen.

2. p. kiertoradat

P-orbitaali on orbitaali, jonka l = 1. Muoto on kuin kierretty ilmapallo, joka on varustettu kahdella lohkolla. Loikot ovat atomiytimen vastakkaisilla puolilla. Atomiydin on p-orbitaalisolmun tasolla, kahden suuren elektronitiheyden omaavan keilan välissä.

P-orbitaalilla on kolme tyyppistä avaruudellista suuntausta, nimittäin Px, Py ja Pz, joten m: llä on kolme mahdollista arvoa, nimittäin -1, 0 tai +1. Kolme orbitaalia sijaitsevat kohtisuorassa toisiinsa nähden x-, y- ja z-akseleilla suorakulmaisissa koordinaateissa. Muoto, koko ja energia ovat samat.

3. d kiertoradalla

D-orbitaali on orbitaali, jonka l = 2. Tällä kiertoradalla on viisi eri suuntausta, mikä antaa sille viisi mahdollista m: n arvoa, nimittäin -2, -1, 0, +1 tai +2. joiden neljä d-orbitaalia ovat dxy, dxz, dyx ja d²-y².

Näissä kiertoradoissa on neljä keilaa, jotka ovat apilanlehden muotoisia. Seuraava d-kiertorata on dz^w, jossa on kaksi pääkeilaa z-akselilla ja yksi donitsin muotoinen osa keskellä.

4. f. kiertoradat

F-orbitaali on orbitaali, jonka l = 3. Tällä kiertoradalla on seitsemän tyyppistä orientaatiota, samoin kuin m: llä on seitsemän mahdollista arvoa (2l + 1 = 7). Kaikilla f-orbitaaleilla on monimutkaisia ​​muotoja, joissa on vaihteleva määrä keiloja.

Lukea: Electron Configuration

Electron Configuration

Kun ymmärrät kuinka kvanttimekaniikan atomiteoriassa on suhde atomeissa olevien elektronien ja orbitaalien välillä, Seuraavaksi opit elektronikonfiguraatiosta, elektronien järjestämisestä atomikuorten kiertoradalle monielektroni.

1. Aufbaun sääntö

Tässä säännössä todetaan, että elektronit on täytettävä alemmalta korkeammalle energiatasolle. Orbitaalien energiatasot näkyvät atomien järjestelyssä kemiallisten elementtien jaksollisessa taulukossa.

Taulukon vasempaan alakulmaan on kirjoitettu punaisella, jossa on s-lohko, sininen on lohko d, keltainen on lohko p ja vihreä on lohko f. Vaikka jokainen rivi on skin.

Tuon järjestelyn perusteella voit nähdä, että energiatasojen järjestys on 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p ja niin edelleen.

2. Hundin säännöt

Tämä sääntö sanoo, että jos orbitaaleja on samalla energiatasolla, elektronien on oltava täytetty rinnakkain, kunnes kaikki samalla energiatasolla olevat orbitaalit ovat täynnä elektroneja, kuten kuvassa 10 on esitetty seurata.

Samaan aikaan seuraava kuva ei vastaa Hundin säännön mukaista täyttöä.

3. Paulin kielto

Paulin kielto sanoo, että elektroneilla ei voi olla samaa kvanttilukua täytettynä kiertoradalla, joten on olemassa spinluku(t), joiden arvo on +1/2. Pienin energia on se, jossa on eniten elektroneja ja rinnakkaisia ​​spinejä.

4. Anomalia

Kokeiden mukaan elektronikonfiguraatiossa on poikkeavuuksia edellä mainittujen sääntöjen mukaisesti. d-alikuori on yleensä puoliksi täynnä tai täynnä. Esimerkiksi varten ₂₄Cr, sen elektronikonfiguraatio: [Ar] 4s1 3d5, on vakaampi kuin [Ar] 4s2 3d4.

Lisäksi elektronikonfiguraatio varten ₂₉Cu: [Ar] 4s¹ 3d¹⁰, vakaampi kuin [Ar] 4s² 3d⁹. Samaan aikaan monoatomisten ionien, kuten K: n, elektronikonfiguraatio⁺, Na⁺, Ca²⁺, Br^–, S^2-, ja niin edelleen, voidaan määrittää ensin neutraalilla atomilla.

Positiivisesti varautuneille kationeille tai ioneille monoatomi A^x+ varauksella x+, niin niin monta kuin x elektronia poistuu neutraalin atomin A ulkoelektronikuoresta. Mitä tulee anioniin, monatomic B^y- y-varauksella niin monta kuin y elektronia vangitaan alhaisimman energian kiertoradalle, joka ei ole vielä täynnä.

Kuinka määrittää kvanttiluvut

Ennen kuin määrität luvun, sinun on ensin määritettävä sen elementin elektronikonfiguraatio, jolle haluat löytää kvanttiarvon. Esimerkiksi on ₁₆S. Sen elektronikonfiguraatio on 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Ota sen jälkeen viimeinen elektronikonfiguraatio, joka on 3p⁴.

• Tämän konfiguraation perusteella päälukuarvo on 3, koska numero 3 edustaa kiertoradan tai kuoren kokoa.
• p on elektronin alikuori, joten se voidaan saada arvon l = 1 alle.
• Koska se on p-alikuoressa, kvanttiluku on välillä -1, 0 tai +1. Kun määrität sen, piirrä ensin orbitaalilaatikko. Voit käyttää nuolia täyttäessäsi laatikkoa.
• Täytä jokainen ruutu ylöspäin osoittavalla nuolella ja täytä se sitten alas osoittavalla nuolella. Numero 4 on niiden nuolien lukumäärä, jotka on täytettävä, jotta ne saadaan näin.

↑↓ ↑ ↑

-1 0 +1

• Neljäs (viimeinen) nuoli on -1-laatikossa, jossa mekaaninen arvo on m = -1.
• Ylösnuoli on arvoltaan +1/2, kun taas alanuoli on -1/2. Viimeinen nuoli osoittaa alaspäin, joten s: n arvo = -1/2.

No, näin kvanttiluku määritetään. Tässä on joitain esimerkkejä tähän materiaaliin liittyvistä kysymyksistä tutkittavaksi.

Lukea: Fyysinen muutos

Esimerkkejä kvanttiluvuista

Tsekkaa seuraavat kysymykset!

1. Esimerkkikysymys 1

Määritä seuraavien alkuaineiden ja monoatomisten ionien elektronikonfiguraatiot ja elektronikaaviot!

1. ₈O^2-
2. ₂₀Mg²⁺
3. ₂₆Fe³⁺
4. ₂₇Co
5. ₃₂Ge

Ratkaisu:

2. Esimerkkikysymys 2

Ga: n viimeisellä elektronilla on kvanttiluku...

1. n = 4; l = 0
2. n = 4; l = 1
3. n = 3; l = 2
4. n = 4; l = 2
5. n = 3; l = 1

Ratkaisu:

Jos katsot kemiallista elementtien jaksollista taulukkoa, alkuaine Ga on jaksossa IV, jolloin se on n = 4. Gallium kuuluu ryhmään 13, joten valenssielektronit ovat p-alakuoressa, mikä tarkoittaa l = 1.

3. Esimerkkikysymys 3

Alla kvanttiluku, jota Cl-atomin viimeinen elektroni ei voi miehittää, on...

1. n = 3; l = 1; m = -1; s = -1/2
2. n = 3; l = 1; m = 0; s =
3. n = 3; l = 2; m = -1; s =
4. n = 3; l = 2; m = 1; s = -1/2
5. n = 3; l = 1; m = 1; s = 1/2

Ratkaisu:

4. Esimerkkikysymys 4

Elementti X³⁺ on sama elektronikonfiguraatio kuin elementillä Ar. Joten ioni, jolla on sama konfiguraatio kuin ionilla, on...

1. K⁺
2. Mg²⁺
3. Na⁺
4. Cl⁺
5. F^–

Ratkaisu:

Alkuaine Ar on jaksossa 3, joten ionilla on sama elektronikonfiguraatio kuin Ar tai [Ne] 3s² 3p⁶ on jaksossa 4 kationeille ja jaksolle 3 anioneille. Sopivin ioni on K⁺.

5. Esimerkkikysymys 5

Määritä elementin kvanttiluku ³²Ge!

Ratkaisu:

6. Esimerkkikysymys 6

Kaikki seuraavat ovat sallittuja kvanttilukuja, paitsi...

1. n = 2; l = 1; m = -1
2. n = 3; l = 2; m = 1
3. n = 3; l = 3; m = -1
4. n = 3; l = 0; m = 0
5. n = 3; l = 2; m = -1

Ratkaisu:

Jos pääluvun (n) arvo on 3, niin suurin atsimuuttiluku (l) on n-1 = 3-1 = 2. Siksi vaihtoehdot C, joissa n = 3, l = 3 ja m = -1, eivät ole sallittuja.

Kvanttilukujen oppimiseksi sinun on myös hallittava joitakin usein käytettyjen tai ongelmissa esiintyvien elementtien atomilukuja. Lisäksi sinun tulee tuntea energiatasojen järjestely elektronikonfiguraatioita rakennettaessa.