Energieniveaus und Orbitale helfen, die elektronische Struktur eines Atoms zu beschreiben. Sie bezeichnen, wie Elektronen innerhalb von Atomen angeordnet sind, und die Beschreibung solcher Energien leitet sich aus der Quantentheorie ab.
Quantentheorie
Die Quantentheorie postuliert, dass Atome nur in bestimmten Energiezuständen existieren können. Wenn ein Atom oder durch Korrelation ein Elektron seinen Zustand ändert, absorbiert oder emittiert es eine Energiemenge, die der Energiedifferenz zwischen den Zuständen entspricht.
Die emittierte oder absorbierte Energie wird quantisiert; es ist Energie gekennzeichnet durch bestimmte Beträge. Diese erlaubten Energiezustände können durch Mengen von Zahlen beschrieben werden, die Quantenzahlen genannt werden.
Quantenzahlen
Die Anordnung eines Elektrons in einem Atom kann beschrieben werden durch vier Quantenzahlen: nn, l, m_l_ und Mso. Diese beziehen sich auf Energieniveau, Elektronenunterschalen, Bahnrichtung bzw. Spin.
Erste Quantenzahl: Energieniveau
Die erste Quantenzahl wird bezeichnet mit nein und ist das Hauptenergieniveau.
Die Definition des Hauptenergieniveaus sagt dem Beobachter die Größe des Orbitals und bestimmt die Energie. Ein Anstieg in nein ist eine Energieerhöhung, und das bedeutet auch, dass das Elektron weiter vom Kern entfernt ist.
Die erste Quantenzahl kann nur ganzzahlige Werte annehmen, beginnend mit 1; nein = 1, 2, 3, 4... Jedes Energieniveau entspricht auch einem Buchstaben: nein = 1 (K), 2 (L), 3 (M), 4 (N) ...
Erste Quantenzahl: Orbital- und Elektronenberechnungen
Um die Anzahl der Orbitale aus der Hauptquantenzahl zu berechnen, verwenden Sie nein2. Es gibt keine2 Orbitale für jedes Energieniveau. Für nein = 1, da ist 12 oder ein Orbital. Für n = 2 gibt es 22 oder vier Orbitale. Zum nein = 3 gibt es neun Orbitale, für nein = 4 gibt es 16 Orbitale, für nein = 5 gibt es 52 = 25 Orbitale und so weiter.
Um die maximale Anzahl von Elektronen in jedem Energieniveau zu berechnen, gilt die Formel 2nein2 kann verwendet werden, wo nein ist das Hauptenergieniveau (erste Quantenzahl). Zum Beispiel Energiestufe 1, 2(1)2 berechnet zwei mögliche Elektronen, die in das erste Energieniveau passen.
Zweite Quantenzahl: Elektronen-Unterschalen
Die zweite Quantenzahl bezeichnet Unterebenen und wird mit dem Buchstaben bezeichnet l. Diese Quantenzahl bezeichnet Elektronenunterschalen und die allgemeine Form der Elektronenwolke.
Die ersten beiden Quantenzahlen hängen zusammen. Für jedes gegebene nein, l kann jedes Integral beginnend mit 0 bis maximal (nein – 1); l = 0, 1, 2, 3 ...
Die Quantenebenen, l = 0, 1, 2, 3 entsprechen den Elektronenunterschalen s, p, d bzw. f. Die Form von s ist kugelförmig, p hat die Form einer Acht und die d- und f-Orbitale haben ein komplizierteres Design, das hauptsächlich kleeförmige Orbitale umfasst.
Jede Elektronenunterschale kann eine bestimmte Menge an Elektronen enthalten, s = 2, p = 6, d = 10 und f = 14.
Dritte Quantenzahl: Orbitalrichtung
Die dritte Quantenzahl m_l_, bezeichnet die Ausrichtung der Elektronenwolke im Raum.
Diese Quantenzahl kann jeden ganzzahligen Wert haben, einschließlich 0, zwischen l und -l (die zweite Quantenzahl) oder, m_l = _l... 2, 1, 0, -1, -2... -l
Zum l = 0, es gibt nur 1 m_l Wert, auch 0. Dieses enthält nur ein Orbital. Für ein p-Orbital ist ml_ = 1, 0, -1. Dies entspricht den drei p-Orbitalen in drei verschiedenen Richtungen, px, pja, pz, entsprechend der dreidimensionalen x-, y- und z-Achse.
Vierte Quantenzahl: Elektronenspin
Die vierte Quantenzahl bezeichnet einen Spin im oder gegen den Uhrzeigersinn.
Ein Elektron ist ein geladenes Teilchen, das sich um eine Achse dreht und daher magnetische Eigenschaften hat. Diese Quantenzahl hat nichts mit n zu tun, l, ml, und kann nur zwei mögliche Werte annehmen: +1/2 oder -1/2.
Die Addition der vierten Quantenzahl ermöglicht es Elektronen, Orbitale zu füllen, ohne das Pauli-Ausschlussprinzip zu brechen. Dies besagt, dass keine zwei Elektronen die gleiche Menge von vier Quantenzahlen haben können.
Orbitale mit Quantenzahlen berechnen
Denken Sie daran, dass die Bestimmung der Orbitalmenge in einem Energieniveau durch die Formel nein2. Für das Energieniveau 3 gilt n = (3)2 oder neun Orbitale.
Eine vollständigere Berechnung kann mit den Informationen aus den obigen Quantenzahlen durchgeführt werden. Zum nein = 3, die Werte von l Kann hinzugefügt werden. Zum l = 0, es gibt nur ein Orbital, ichl = 0. Zum l = 1, gibt es drei Werte (ichl = −1, 0 oder +1). Zum l = 2, es gibt fünf mögliche Werte (ichl = −2, −1, 0, +1 oder +2). Die Addition der Möglichkeiten ergibt also insgesamt 1 + 3 + 5 = 9 Orbitale.
