Numere cuantice: Ce sunt, exerciții și exemple

Conform modelului atomic al lui Niels Bohr, protonii și neutronii unui atom se află în nucleu, în timp ce electronii sunt în jurul acestuia. Deși nu putem ști exact unde este un electron, există zone în care este cel mai probabil să fie găsit, orbitalii atomici. Și cum putem determina acei orbitali? Foarte simplu, folosind numere cuantice.

Care sunt numerele cuantice?

Există 4 numere cuantice. Trei dintre ele ne oferă informații despre locul unde se află un electron al unui anumit atom, adică ne oferă informații despre orbital. Pe de altă parte, al patrulea număr cuantic nu ne spune unde este electronul, ci cum. Nu ești încă foarte clar despre asta? Du-te!

Numărul cuantic principal (n). Este ultimul nivel de energie care se umple și indică dimensiunea orbitalului și, prin urmare, distanța dintre nucleu și electron. De ce? Foarte usor. Cu cât orbitalul este mai mare, cu atât electronul poate fi mai departe de nucleul atomului.
Număr cuantic azimutal sau secundar (l). Indicați forma orbitalului.
Număr cuantic magnetic (m). Indică orientarea orbitalului.
Număr cuantic de centrifugare (s). Spuneți în ce direcție se rotește electronul.

Ușor nu? Să mergem cu ceea ce este important!

Cum sunt derivate numerele cuantice

Pentru a obține numerele cuantice trebuie doar să urmați 2 pași simpli:

Scrieți configurația electronică.
Obțineți numerele cuantice de la electronul diferențial (ultimul care umple orbitalul).

Configurare electronică

Începem cu pasul 1, scriem configurația electronică. Cum? Există două metode pentru a o face, hai să ajungem la ea!

Diagrama Moeller

Această tehnică indică ordinea de umplere a orbitalilor prin următorul desen:

Această diagramă este guvernată de principiul Aufbau, care apără că orbitalii se umple în ordine crescândă de energie, adică orbitalul care are cea mai mică energie se va umple mai devreme.

Pentru a afla care orbital are mai multă energie, se efectuează operația n + l. Dacă această operație pentru doi atomi diferiți are ca rezultat același număr, cel al cărui număr n este mai mare va avea mai multă energie. Cu alte cuvinte, în caz de egalitate, cel cu cel mai mic număr n este completat mai întâi. Să vedem cu un exemplu:

4p: n + l -> 4 + 1 = 5

5s: n + l -> 5 + 0 = 5

Deoarece există o legătură în regula n + l, aceasta se umple cu 4p mai devreme, deoarece numărul său n este mai mic.

Modelul nucleului

Pentru a obține configurația electronică după acest model, trebuie să cunoașteți foarte bine tabelul periodic. Dacă avem numărul atomic și poziția elementului în tabel, este o bucată de tort!

Această metodă este considerată o metodă simplificată, deoarece permite să nu fie nevoie să scrieți configurația electronică completă. În acest fel, putem scrie numele elementului de gaz nobil de mai sus între paranteze și apoi calea de la acel gaz nobil la elementul în cauză. Să vedem un exemplu:Astfel, vom scrie traiectoria luând în considerare numărul perioadei (rândul tabelului periodic) și „zona” și, odată ce configurația electronică este scrisă, vom extrage numerele cuantice.

Fosforul (P) va fi scris din gazul nobil anterior, adică Neon:

P -> [Ne] 3s²3p³

Desigur, trebuie să fii atent cu această metodă, deoarece zonele d și f sunt zone speciale. Pe măsură ce facem călătoria, în zona d nu vom pune numărul perioadei (rândului), ci numărul perioadei minus unul. La fel se întâmplă și cu zona F, nu vom pune numărul perioadei, ci numărul perioadei minus două. O veți înțelege mai bine cu câteva exemple:

Nb -> [Kr] 5s¹4d⁴

Deși este în perioada 5, când suntem în zona d, scădem 1.

Nd -> [Xe] 6s²4f¹⁴

Deși este în perioada 6, când suntem în zona f, scădem 2.

Excepții în configurația electronică

Configurația electronică are câteva aspecte speciale care, dacă nu sunteți conștienți de ele, pot duce la alimentatoare cu cap mare. Dar nu răspândi panică! Vă vom spune!

Zona F

Zona F apare în partea de jos a tabelului periodic, dar este de fapt „încorporată” în decalajul pe care îl vedem în alb, adică între primul și al doilea element al ultimelor două rânduri ale zonei D.

Il vezi? Prin urmare, uneori, când trebuie să scriem configurația electronică a unui element din zona F, de exemplu, Nd, va trebui să punem un electron în zona D a nivelului corespunzător în raport cu acel element din zona D care este înainte de a intra zona F.

Ce -> [Xe] 6s²5d¹4f¹

Grupa 6 și Grupa 11

Metalele de tranziție din grupa 6 și grupa 11 au 4 și respectiv 9 electroni în ultimele lor cochilii. Prin urmare, pentru a fi un element mai stabil, orbitalul s devine excitat și pierde un electron, care trece la următorul orbital, d. În acest fel, orbitalul s va rămâne cu un electron; și d cu 5, dacă este un element al grupei 6 sau cu 10, dacă este un element al grupului 11.

Iată un exemplu:

Ag -> [Kr] 5s²4d⁹

Aparent, aceasta ar fi configurația electronică a argintului (Ag). Cu toate acestea, pierzând un electron din orbitalul s, arată astfel:

Ag -> [Kr] 5s¹4d¹⁰

Cu toate acestea, există excepții de la această regulă, cum ar fi Tungsten (grupa 6), care rămâne cu 2 electroni în orbitalul s și 4 în orbitalul d.

Dar nu vă faceți griji! Cele mai tipice (Cr, Cu, Ag și Au) respectă această regulă.

Ai inteles? Bine. Asta este tot ce trebuie să știți despre configurația electronică. Să mergem după numere cuantice!

Cum se obțin numere cuantice

Pentru a obține numerele cuantice, trebuie să știm câți electroni se încadrează în fiecare coajă orbitală, ținând cont că 2 electroni se potrivesc într-un orbital.

Stratul s. Are un singur orbital, deci poate încăpea 2 electroni.

Stratul p. Are 3 orbitali, deci este loc pentru 6 electroni.

Stratul d. Are 5 orbitali, deci poate încadra 10 electroni.

Stratul f. Are 7 orbitali, adică deține 14 electroni.

Acum, că înțelegeți că există 2 electroni în fiecare orbital, ar trebui să cunoașteți regula lui Hund. Această regulă spune că la umplerea orbitalilor aceluiași subnivel sau înveliș, de exemplu, învelișul p, electronii umple orbitalul într-o direcție (pozitivă) și apoi în cealaltă (negativă). Vrei să-l vezi cu un exemplu?

Dacă avem 2p⁴, adică orbitalul 2p cu 4 electroni, nu se va umple astfel:

Se va umple astfel:

Îl primești? Super, să vedem cum să calculăm numerele:

Număr cuantic n. Acest număr coincide cu numărul ultimului nivel al configurației electronice. De exemplu, dacă configurația electronică se termină în 4s², numărul cuantic principal va fi 4.
Număr cuantic l. Acest număr depinde de ultimul strat care a fost completat.
Stratul s -> l = 0
Stratul p -> l = 1
Stratul d -> l = 2
Stratul f -> l = 3
Număr cuantic m. Numărul m poate fi orice valoare cuprinsă între -l și + l, deci va depinde de subnivelul în care este electronul diferențial, adică de dacă este s, p, d sau f. Cum să calculăm acest număr este puțin mai complicat, să-l vedem cu câteva desene:
Stratul s -> După cum am văzut, l valorează 0, deci m poate valora doar 0.
Stratul p -> L valorează 1, deci m poate fi -1, 0 sau 1.

Stratul d -> L este 2, deci m ar putea fi -2, -1, 0, 1 și 2.

Stratul f -> l valorează 3, deci m poate fi -3, -2, -1, 0, 1, 2 și 3.

Știți deja cum sunt umplute orbitalele, deci numărul cuantic m va avea valoarea găurii unde se află ultimul electron tras. Vă amintiți acest exemplu dinainte?:

În acest caz, m va fi -1, deoarece în cochilia p (3 orbitali), dacă sunt 4 electroni, ultimul care se va umple ar fi negativul primului orbital.

Număr cuantic s. Numărul cuantic s poate valora numai ½ și -½. Dacă ultimul electron desenat este pozitiv, adică săgeata este sus, s va fi ½. Pe de altă parte, dacă ultimul electron care umple orbitalul este negativ, adică cu săgeata îndreptată în jos, s va fi -½.

Exerciții și exemple

Da, știm deja că toate acestea sunt o mulțime de informații, dar le veți înțelege mai bine cu câteva exemple. Începem!

Exemplu 1

Seleniu (Se) -> Număr atomic: 34

Scriem configurația electronică. Scriem configurația electronică conform diagramei Moeller, ținând cont de faptul că orbitalele s, p, d și f au 2, 6, 10 și respectiv 14 electroni. Scriem configurația adăugând numărul de electroni, care este scris ca exponent.

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁴

Deoarece orbitalul 4p nu se umple, deoarece electronii ar însuma 36, nu punem 4p⁶dar 4p⁴.

Scoatem numerele cuantice. Pentru a face acest lucru, ne uităm la valența sau electronul diferențial, adică ultimul electron care a umplut orbitalul. În acest caz, ne vom uita la 4p⁴.
- Numărul cuantic principal. Ultimul nivel de energie de umplut a fost 4.

n = 4

Număr cuantic secundar. Ultimul subnivel de energie de umplut a fost orbitalul p.

l = 1

Număr cuantic magnetic. Dacă desenăm electronii, ultimul care va fi umplut va fi primul orbital al învelișului p.

m = -1

Număr cuantic de centrifugare. Ultimul electron care ocupă orbitalul p are săgeata în jos.

s = -½

Exemplu 2

Auriu (Au) -> [Xe] 6s¹4f¹⁴5d¹⁰

Număr cuantic principal -> n = 5
Număr cuantic secundar -> l = 2
Număr cuantic magnetic -> m = 2
Număr cuantic cu centrifugare -> s = -½

Și asta e tot! Acum este rândul tău, ai putea să faci configurația electronică și să obții numerele cuantice ale următoarelor elemente?:

Cr(24), Rb(37), Br(35), Lu(71), Au(79)