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Quantenzahlen und Elektronenorbitale

Quantenzahlen und Elektronenorbitale

In der Chemie werden hauptsächlich Elektronenwechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen untersucht. Das Verständnis des Verhaltens der Elektronen in einem Atom wie das Aufbau-Prinzip ist ein wichtiger Bestandteil des Verständnisses chemischer Reaktionen. Frühe Atomtheorien verwendeten die Idee, dass das Elektron eines Atoms den gleichen Regeln folgte wie ein Mini-Sonnensystem, bei dem die Planeten Elektronen waren, die eine zentrale Protonensonne umkreisten. Elektrische Anziehungskräfte sind viel stärker als Gravitationskräfte, folgen jedoch den gleichen inversen quadratischen Grundregeln für die Entfernung. Frühe Beobachtungen zeigten, dass sich die Elektronen eher wie eine den Kern umgebende Wolke als wie ein einzelner Planet bewegten. Die Form der Wolke oder des Orbitals hing von der Energiemenge und dem Drehimpuls abund magnetisches Moment des einzelnen Elektrons. Die Eigenschaften der Elektronenkonfiguration eines Atoms werden durch vier Quantenzahlen beschrieben. n , ℓ, m und s .

 

Erste Quantenzahl

Die erste ist die Quantenzahl des Energieniveaus. n . In einer Umlaufbahn befinden sich Umlaufbahnen mit niedrigerer Energie nahe der Anziehungsquelle. Je mehr Energie Sie einem Körper im Orbit geben, desto weiter geht es hinaus. Wenn Sie dem Körper genügend Energie geben, verlässt er das System vollständig. Gleiches gilt für ein Elektronenorbital. Höhere Werte von n bedeuten mehr Energie für das Elektron und der entsprechende Radius der Elektronenwolke oder des Orbitals ist weiter vom Kern entfernt. Die Werte von n beginnen bei 1 und steigen um ganzzahlige Beträge. Je höher der Wert von n ist, desto näher sind die entsprechenden Energieniveaus beieinander. Wenn dem Elektron genügend Energie hinzugefügt wird, verlässt es das Atom und hinterlässt ein positives Ion .

 

Zweite Quantenzahl

Die zweite Quantenzahl ist die Winkelquantenzahl ℓ. Jeder Wert von n hat mehrere Werte von ℓ im Bereich von 0 bis (n-1). Diese Quantenzahl bestimmt die ‚Form‘ der Elektronenwolke. In der Chemie gibt es Namen für jeden Wert von ℓ. Der erste Wert, ℓ=0, wird als s-Orbital bezeichnet. s Orbitale sind kugelförmig und auf den Kern zentriert. Das zweite, ℓ=1, heißt ap-Orbital. p-Orbitale sind normalerweise polar und bilden eine tropfenförmige Blütenblattform mit dem Punkt zum Kern. ℓ=2 Orbital heißt Ad-Orbital. Diese Orbitale ähneln der p-Orbitalform, haben jedoch mehr Blütenblätter wie ein Kleeblatt. Sie können auch Ringformen um die Basis der Blütenblätter haben. Das nächste Orbital, ℓ=3, wird als f-Orbital bezeichnet. Diese Orbitale sehen in der Regel ähnlich aus wie d-Orbitale, haben jedoch noch mehr Blütenblätter. Höhere Werte von ℓ haben Namen, die in alphabetischer Reihenfolge folgen.

 

Dritte Quantenzahl

Die dritte Quantenzahl ist die magnetische Quantenzahl m . Diese Zahlen wurden erstmals in der Spektroskopie entdeckt, als die gasförmigen Elemente einem Magnetfeld ausgesetzt wurden. Die einer bestimmten Umlaufbahn entsprechende Spektrallinie würde sich in mehrere Linien aufteilen, wenn ein Magnetfeld über das Gas eingeführt würde. Die Anzahl der Trennlinien würde sich auf die Winkelquantenzahl beziehen. Diese Beziehung zeigt, dass für jeden Wert von ℓ ein entsprechender Satz von Werten von m im Bereich von -ℓ bis ℓ gefunden wird. Diese Zahl bestimmt die Ausrichtung des Orbitals im Raum. Zum Beispiel entsprechen p Orbitale.=1, können m Werte von -1,0,1 haben. Dies würde drei verschiedene Orientierungen im Raum für die Zwillingsblütenblätter der p-Orbitalform darstellen. Sie werden normalerweise als p x , p y , p z definiert , um die Achsen darzustellen, an denen sie ausgerichtet sind.

 

Vierte Quantenzahl

Die vierte Quantenzahl ist die Spinquantenzahl, s . Es gibt nur zwei Werte für s , + ½ und -½. Diese werden auch als „Spin-up“ und „Spin-down“ bezeichnet. Diese Zahl wird verwendet, um das Verhalten einzelner Elektronen so zu erklären, als würden sie sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen. Der wichtige Teil von Orbitalen ist die Tatsache, dass jeder Wert von m zwei Elektronen hat und einen Weg benötigt, um sie voneinander zu unterscheiden.

 

Quantenzahlen mit Elektronenorbitalen in Beziehung setzen

Diese vier Zahlen n , ℓ, m und s können verwendet werden, um ein Elektron in einem stabilen Atom zu beschreiben. Die Quantenzahlen jedes Elektrons sind eindeutig und können nicht von einem anderen Elektron in diesem Atom geteilt werden. Diese Eigenschaft wird als Pauli-Ausschlussprinzip bezeichnet. Ein stabiles Atom hat so viele Elektronen wie Protonen. Die Regeln, nach denen sich die Elektronen an ihrem Atom orientieren, sind einfach, sobald die Regeln für die Quantenzahlen verstanden sind.

 

Zur Durchsicht

  • n kann ganzzahlige Werte haben: 1, 2, 3, …
  • Für jeden Wert von n kann ℓ ganzzahlige Werte von 0 bis (n-1) haben.
  • m kann einen beliebigen ganzzahligen Wert einschließlich Null von -ℓ bis + ℓ haben
  • s kann entweder + ½ oder -½ sein

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