1.3 Układ okresowy - liczby kwantowe

Dzisiejszy temat nie jest bezpośrednio związany z układem okresowym, ale jeżeli chcemy dowiedzieć się wszystkiego o układzie okresowym to musimy poznać pojęcie liczb kwantowych.

Liczby kwantowe to niestety trudne pojęcie do wytłumaczenia, ponieważ nie ma jednoznacznej definicji, a poza tym musielibyście poznać podstawy chemii kwantowej, czego nie będę tego robić, aby Was nie wystraszyć.


Przy omawianiu tego zagadnienia powinniśmy powtórzyc budowę atomu:

Ze schematu możemy odczytać:
* jądro atomowe składa się z protonów (+) i neutronów (0)
* elektrony (-) krążą po orbitach


Jest kilka rodzajów liczb kwantowych:

1. Główna liczba kwantowa n - określa powłokę, po której krąży elektron.  Jeżeli uważnie czytałeś bloga to na pewno pamiętasz, że okres w układzie okresowy wyznacza właśnie tę wartość (jeżeli jeszcze tego nie kojarzysz to zajrzyj TUTAJ). Okresów w tablicy Wernera mamy 7, więc główna liczba kwantowa n może przybierać wartości od 1 do 7.

Jak zauważyłeś na schemacie, powłokom elektronowym przypisuję się konkretną literę od K do Q, gdzie:
- powłoka K jest pierwsza od jądra
- powłoka L jest druga od jądra
- powłoka M jest trzecia od jądra
- powłoka N jest czwarta od jądra
- powłoka O jest piąta od jądra
- powłoka P jest szósta od jądra
- powłoka Q jest siódma od jądra


Oczywiście na każdej powłoce może być maksymalna ilość elektronów (patrz niebieskie cyfry przy powłokach). Do określenia tego służy wzór 2n², gdzie n to główna liczba kwantowa, czyli numer powłoki.
 

Symbol powłoki	Główna liczba kwantowa n	Max. liczba elektronów 2n2
K	1	2
L	2	8
M	3	18
N	4	32
O	5	50
P	6	72
Q	7	98

2. Poboczna liczba kwantowa l - rozróżnia stany energetyczne elektronów w tej samej powłoce, czyli po prostu mówi o tym, na której podpowłoce znajduje się elektron. Może ona przybierać wartości od 0 do n-1 (gdzie n jest główną liczbą kwantową - patrz powyżej). Dla każdej powłoki przypisuje się konkretną poboczną liczbę kwantową.
 Wyróżniamy cztery podpowłoki i oznaczane są one symbolami: s, p, d, f. Podobnie jak w przypadku powłok elektronowych (patrz powyżej) jest wyznaczona maksymalna liczba elektronów jaka może znajdować się na danej podpowłoce, a wyraża to wzór: 4l + 2  gdzie l to poboczna liczba kwantowa:

Symbol podpowłoki	Wartość pobocznej liczby kwantowej l	Maksymalna liczba elektronów 4l+2
s	0	2
p	1	6
d	2	10
f	3	14

UWAGA! Podpowłok jest 7 (tyle samo co powłok), ale w szkołach używa się tylko do 4 powłok i podpowłok.

3. Magnetyczna liczba kwantowa m - określa przestrzenne ułożenie się orbitali podpowłok (brzmi strasznie). Przyjmuje ona wartości -l < m < l , gdzie l to poboczna liczba kwantowa

Symbol podpowłoki	Wartość pobocznej liczby kwantowej l	Wartość magnetycznej liczy kwantowej m
s	0	0
p	1	-1, 0, 1
d	2	-2, -1, 0, 1, 2
f	3	-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

Teraz nasuwa się pytanie "Skąd wiem, która magnetyczna liczba kwantowa jest prawidłowa dla opisywanego elektronu?"

4. Magnetyczna spinowa liczba kwantowa ms - związana z obrotem elektronu wokół własnej osi. Przyjmuje dwie wartości: 1/2 oraz  -1/2

Wartość dodatnia (1/2) magnetycznej spinowej liczby kwantowej jest przypisana elektronowi, który jest zapisany w formie strzałki skierowanej w górę. Natomiast wartość ujemna (-1/2) opisuje elektron oznaczony jako strzałka do dołu.

 UWAGA! Przy wypisywaniu liczb kwantowych danego elektrony należy pamiętać o zakazie Pauliego. Reguła mówi o tym, że:
* nie mogą istnieć dwa elektrony o identycznym stanie kwantowym, czyli o tych samych wartościach czterech liczba kwantowych - przynajmniej musi być jedna różnica
* przy zaznaczaniu elektronów w "kwadracikach" zaczynamy od strzałki w górę
* zaznaczając elektrony na początku trzeba każdy kwadracik zapełnić strzałkami w górę, a dopiero później w dół

Przykładowe zadanie:
Określ liczby kwantowe elektronów:
 
 n = 2 (duża cyfra przy podpowłoce oznacza n)
 l  = 1 (bo leży w podpowłoce p)
m = -1, 0, 1
ms= 1/2, -1/2, 1/2, -1/2, 1/2, -1/2


n = 4
l = 2 (bo leży w podpowłoce d)
m = -2, -1, 0
ms = 1/2, 1/2, 1/2

 
Dzisiaj poruszyłam liczby kwantowe, aby móc w następnym poście pisać o blokach elektronowych i konfiguracji, wtedy nauczymy się rozpisywac elektrony w każdym pierwiastku i będziemy opisywać jego liczby kwantowe.
Mam nadzieję, że jest to zrozumiałe, choć na pewno wszystko bardziej się rozjaśni gdy poruszymy temat związany z konfiguracją, ale cierpliwości - wpis o tym już niedługo.