Czym są liczby kwantowe? – JR

Czym są liczby kwantowe?

Nazwa brzmi dość tajemniczo. Samo pojęcie też nie jest tak proste do zrozumienia. Na szczęście nie zamierzam Ci tłumaczyć podstaw chemii i fizyki kwantowej, która jest bardzo skomplikowana i po prostu pomijana w liceum.

Na początek zapamiętaj, że kwant energii, to jest po prostu najmniejsza możliwa porcja energii jaką można uzyskać.

Pamiętasz, jak zbudowany jest atom? Wokół jądra atomu krąży chmura elektronów. Poruszają się one z ogromnymi prędkościami, ale nie jest to ruch całkowicie przypadkowy.

Elektrony mają różną energię. Im dalej znajdują się od jądra, tym mają jej więcej.
Aby dowiedzieć się, czym są liczby kwantowe wyobraź sobie miasto zbudowanie na planie koła, w którego centrum znajduje się plac.
liczby-kwantowe-miasto-300x299

Dzielnice w tym mieście ułożone są w okręgi o coraz większych promieniach (na rysunku oznaczone są różnymi kolorami).
W obrębie każdej dzielnicy znajdują się ulice, a przy nich stoją domy.

To miasto jest jakby przekrojem atomu a liczby kwantowe można porównać do dokładnego adresu elektronu.
Powłoka elektronowa to dzielnica, w której elektron się znajduje. Numer powłoki (dzielnicy) określa n – główna liczna kwantowa. Przyjmuje ona wartości 1, 2, 3… itd.

W zapisie konfiguracji pełnej podajesz 1s2 2s2 2p6 itd. Duże cyfry stojące przed oznaczeniem podpowłoki to właśnie główna liczba kwantowa podanych elektronów.

Ulicę, przy której znajduje się elektron podaje nam poboczna liczba kwantowa l. Przyjmuje ona wartości 0, 1, 2, 3 … n-1. (Maksymalna liczba poboczna może przyjąć wartość o jeden mniejszą niż wynosiła liczba główna).
Ulicę, na której znajduje się elektron, to orbital w tej podpowłoce, w której jest elektron.
Jeśli l = 0 to elektron znajduje sie na podpowłoce s
1 – p
2 – d
3 – f
itd.

Każda podpowłoka składa się z orbitali. Każdy orbital to jeden dom znajdujący się przy konkretnej ulicy (na podpowłoce). Magnetyczna liczba kwantowa m określa, w którym domu znajduje się elektron (czyli na którym dokładnie orbitalu).

Podpowłoka s ma 1 orbital (obrital s)
podpowłoka p ma 3 orbitale (px, py, pz)
podpowłoka d ma 5 orbitali itd.

Magnetyczna liczba kwantowa m przyjmuje wartości: -l, …0 …, l

Jeśli elektron znajduje się na podpowłoce p, wówczas ma poboczną liczbę kwantową równą: l=1. Magnetyczna liczba kwantowa może przyjąć wartość -1, 0 lub 1, w zależności od tego, na którym orbitalu będzie elektron.

Na jednym orbitalu (w jednym domu) mogą się zmieścić maksymalnie dwa elektrony (każdy ma swój pokój 😉 ). To, w którym konkretnie pokoju jest elektron określa magnetyczna spinowa liczba kwantowa. Co ważne – nigdy oba elektrony nie spotkają się w tym samym pokoju! To oznaczałoby, że mają identyczną energię, co jest sprzeczne z Zakazem Pauliego i teorią budowy atomu.

Magnetyczna spinowa liczba kwantowa ms wynosi 1/2 lub -1/2. Nigdy dwa elektrony na tym samym orbitalu nie mogą mieć takiej liczby ms.

W praktyce: każdy elektron obraca się wokół własnej osi z dużą prędkością. Aby dwa elektrony mogły przebywać na jednym orbitalu – jeden z nich musi obracać się w kierunku przeciwnym do drugiego.

Spinowa liczba kwantowa podaje wartość spinu – zawsze wynosi ona 1/2

Zapamiętaj zasadę:
Nigdy w jednym atomie nie mogą się znaleźć dwa elektrony, które mają takie same wszystkie liczby kwantowe! Zawsze muszą się różnić co najmniej jedną.

Przykład 1.
Określimy liczbę kwantową dla zaznaczonego elektronu walencyjnego w atomie glinu:
Konfiguracja pełna: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Konfiguracja graficzna:
n = 3 (bo elektron jest w 3 powłoce)
l = 1 (leży na podpowłoce p)
m = -1 (orbital px)
s = 1/2
ms = 1/2 (elektron skierowany w gorę określimy jako 1/2, zaś w dół -1/2)

Przykład 2:
Podaj liczby kwantowe dla zaznaczonego elektronu:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6
(na rysunku znajdują się tylko elektrony 4s2 3d10 4p6)

n = 3 (bo leży w powłoce 3 —> spójrz na konfigurację)
l = 2 (bo leży w podpowłoce d –> dokładnie 3d)
m = 0 (magnetyczna przyjmuje wartości: -2, 1. 0, 1, 2 a ten elektron leży pośrodku, czyli 0)
s = 1/2 (zawsze tyle samo)
ms = -1/2 (skierowany jest w dół, więc znak -)