Kvantnummer och elektroniska orbitaler

Kemi är mestadels studiet av elektroninteraktioner mellan atomer och molekyler. Förstå elektronernas beteende i en atom, till exempel Aufbau-principen, är en viktig del av förståelsen kemiska reaktioner. Tidiga atomteorier använde idén att en atoms elektron följde samma regler som ett mini-solsystem där planeterna var elektroner som kretsade kring en mittersta protonsol. Elektriska attraktiva krafter är mycket starkare än gravitationskrafter, men följer samma grundläggande omvända kvadratregler för avstånd. Tidiga observationer visade att elektronerna rörde sig mer som ett moln som omger kärnan snarare än en enskild planet. Formen på molnet, eller kretsloppet, berodde på mängden energi, vinkelmoment och magnetisk moment för den enskilda elektronen. Egenskaperna hos en atom elektronkonfiguration beskrivs av fyra kvantantal: n, ℓ, m, och s.

Den första är energinivån kvantantal, n. I en bana är banor med lägre energi nära attraktionskällan. Ju mer energi du ger en kropp i bana, desto längre "ut" går den. Om du ger kroppen tillräckligt med energi kommer det att lämna systemet helt. Detsamma gäller för en elektronbana. Högre värden på

De andra kvantantalet är vinkelkvanttalet, ℓ. Varje värde på n har flera värden på ℓ som sträcker sig i värden från 0 till (n-1). Detta kvantantal bestämmer "form" på elektronmoln. I kemi finns det namn för varje värde på ℓ. Det första värdet, ℓ = 0 kallas en s orbital. s orbitaler är sfäriska, centrerade på kärnan. Den andra, ℓ = 1 kallas en p orbital. p orbitaler är vanligtvis polära och bildar en teardrop kronblad med punkten mot kärnan. ℓ = 2 orbital kallas d orbital. Dessa orbitaler liknar p-banans form, men med mer "kronblad" som en klöverblad. De kan också ha ringformer runt kronbladens botten. Nästa kretslopp, ℓ = 3 kallas en orbital. Dessa orbitaler tenderar att likna d orbital, men med ännu fler "kronblad". Högre värden på ℓ har namn som följer i alfabetisk ordning.

Det tredje kvanttalet är det magnetiska kvanttalet, m. Dessa nummer upptäcktes först i spektroskopi när gasformiga element exponerades för ett magnetfält. Spektrallinjen motsvarande en viss bana skulle delas upp i flera linjer när ett magnetfält skulle införas över gasen. Antalet delade linjer skulle vara relaterat till vinkelkvantantalet. Detta förhållande visar för varje värde på ℓ, en motsvarande uppsättning värden på m som sträcker sig från -ℓ till ℓ hittas. Detta nummer bestämmer banans orientering i rymden. Till exempel, p orbitaler motsvarar ℓ = 1, kan ha m värden -1,0,1. Detta skulle representera tre olika orienteringar i rymden för de två kronbladen av den orbitala formen. De definieras vanligtvis som p_x, p_y, p_z för att representera axlarna som de anpassar sig till.

Det fjärde kvanttalet är spinnkvantatet siffra, s. Det finns bara två värden för s, + ½ och -½. Dessa kallas också 'spin up' och 'spin down'. Detta nummer används för att förklara beteendet hos enskilda elektroner som om de snurrade medurs eller moturs. Den viktiga delen för orbitaler är det faktum att varje värde på m har två elektroner och behövde ett sätt att skilja dem från varandra.

Dessa fyra siffror, n, ℓ, m, och s kan användas för att beskriva en elektron i en stabil atom. Varje elektron kvantnummer är unika och kan inte delas med en annan elektron i den atomen. Den här egenskapen kallas Pauli-uteslutningsprincip. En stabil atom har lika många elektroner som protoner. Reglerna som elektronerna följer för att orientera sig runt sin atom är enkla när reglerna för kvantantal förstås.

• n kan ha heltal: 1, 2, 3, ...
• För varje värde av n, ℓ kan ha heltal från 0 till (n-1)
• m kan ha valfritt heltal, inklusive noll, från -ℓ till + ℓ
• s kan vara antingen + ½ eller -½