Квантовые числа и орбитали

Словарь химического термина:
Узлы = точка или плоскость с нулевой электронной плотностью

Введение в квантовые числа и формы орбит
Квантовые числа используются для описания атомных орбиталей, областей пространства, в которых можно найти электрон. Исходя из этих чисел, мы можем определить различные свойства электронов на атомной орбитали. Важно отметить, что каждый электрон будет уникальным для другого в соответствии с принципом исключения Паули. Чтобы это было правдой, никакие два электрона в одном атоме не могут иметь одинаковые четыре квантовых числа.

Основное квантовое число (n)

Главное квантовое число (n) описывает электронную оболочку или размер орбитали. Электронную оболочку можно рассматривать как часть атома, где электрон вращается вокруг ядра. Узнайте о том, как Резерфорд открыл ядро.

Единственными допустимыми значениями n являются целые числа, начинающиеся с

1. Более высокое значение n означает, что связанный электрон находится дальше от ядра. Например, электрон с n = 1 будет намного ближе к ядру, чем электрон с n = 5. Сравнивая электроны с одинаковым l, мы также можем сказать, что электрон с более высоким значением n имеет более высокую энергию. При более высоком n электрон не будет чувствовать притяжения положительно заряженного ядра из-за его большего расстояния. Отрицательный заряд электрона не стабилизирован, поэтому электрон имеет более высокую энергию.

Примечание: На самом деле электроны не фиксированы, а представлены чем-то, называемым “электронным облаком”. Однако концепция различных электронных оболочек, внутренняя окружность которых равна n = 1, а внешняя окружность равна n = 2. По мере увеличения n мы удаляемся все дальше от ядра.

Формы орбит – квантовое число углового момента (l)
Существует четыре различных вида орбиталей, которые называются s, p, d и f-орбитали. У каждого из них своя форма орбиты. S-орбиталь сферическая, в центре которой находится ядро. P-орбиталь имеет форму гантели, а четыре из пяти d-орбиталей имеют форму листа клевера. Последняя d-орбиталь представляет собой удлиненную гантель с пончиком вокруг ее центра.

Квантовое число углового момента (l) описывает подоболочку или форму орбиты, а его допустимый диапазон равен (0, ..., n – 1). Нужно запомнить четыре различные формы: s, p, d и f орбитали. Значение l, присвоенное каждой подоболочке, основано на количестве угловых узлов (плоскостей). Для s-орбиталей, которые являются сферами, нет углового узла, поэтому l = 0. Для p-орбиталей, которые имеют электронную плотность, разделенную одним угловым узлом, l = 1. Следуя этой тенденции, d-орбитали будут иметь l = 2, а f-орбитали будут иметь l = 3, поскольку они имеют два и три угловых узла соответственно.

s-орбиталь имеет непрерывную круговую электронную плотность, поэтому l = 0. Лепестки p-орбиты разделены узловой плоскостью, ориентированной вдоль оси x, что составляет l = 1. D-орбиталь имеет две узловые плоскости вдоль осей x и y, которым присваивается l = 2.

Попробуйте нарисовать f-орбиталь и обязательно включите три угловых узла (l = 3)!

Магнитное квантовое число (m l)
Магнитное квантовое число (ml) описывает различные ориентации подоболочек в трехмерном пространстве. Его диапазон равен (-l, ..., l), что означает, что для скольких способов вы можете однозначно повернуть определенную фигуру, у вас есть столько возможных значений ml. Поскольку при вращении сферы вокруг начала координат не возникает новой, отчетливой ориентации, s-орбиталь будет иметь только одну возможную магнитную ориентацию.

Но из-за угловых узлов орбиталей p, d и f они имеют много возможных значений ml, как показано на картинке вверху статьи (нажмите ее чтобы открыть ее в более большем формате) ниже.

Спиновое квантовое число (м с)
Спиновое квантовое число (m s) описывает спин определенного электрона на орбите. Спин равен +/- ½, что обозначает либо восходящий, либо нисходящий спин. Каждая орбиталь может содержать максимум два электрона, и если она полностью заполнена, электроны не могут иметь одинаковое направление вращения. Если электроны не указывают в противоположном направлении, то это было бы нарушением принципа исключения Паули — два электрона не могут иметь одинаковые четыре квантовых числа. Если орбиталь занята не полностью, то электрон может принимать любое направление вращения. Соглашение обычно сначала назначает вращение вверх на неполностью занятой орбите.