Los niveles de energía y los orbitales ayudan a describir la estructura electrónica de un átomo. Designan cómo se organizan los electrones dentro de los átomos, y la descripción de tales energías se deriva de la teoría cuántica.
Teoría cuántica
La teoría cuántica postula que los átomos solo pueden existir en ciertos estados energéticos. Si un átomo, o un electrón por correlación, cambia de estado, absorbe o emite una cantidad de energía igual a la diferencia de energía entre los estados.
La energía emitida o absorbida se cuantifica; es energía caracterizada por cantidades definidas. Estos estados de energía permitidos se pueden describir mediante conjuntos de números llamados números cuánticos.
Números cuánticos
La disposición de un electrón en un átomo se puede describir mediante cuatro números cuánticos: n, l, m_l_ y Ms. Estos se relacionan con el nivel de energía, las subcapas de electrones, la dirección orbital y el giro, respectivamente.
Primer número cuántico: nivel de energía
El primer número cuántico está designado por norte y es el nivel de energía principal.
La definición principal del nivel de energía le dice al observador el tamaño del orbital y determina la energía. Un aumento en norte es un aumento de energía, y esto también significa que el electrón está más lejos del núcleo.
El primer número cuántico solo puede tomar valores integrales, comenzando con 1; norte = 1, 2, 3, 4... Cada nivel de energía también corresponde a una letra: norte = 1 (K), 2 (L), 3 (M), 4 (N) ...
Primer número cuántico: cálculos de orbitales y electrones
Para calcular la cantidad de orbitales a partir del número cuántico principal, use norte2. No hay2 orbitales para cada nivel de energía. Para n = 1, hay 12 o un orbital. Para n = 2, hay 22 o cuatro orbitales. Para norte = 3 hay nueve orbitales, por norte = 4 hay 16 orbitales, para norte = 5 hay 52 = 25 orbitales y así sucesivamente.
Para calcular el número máximo de electrones en cada nivel de energía, la fórmula 2norte2 se puede utilizar, donde norte es el nivel de energía principal (primer número cuántico). Por ejemplo, nivel de energía 1, 2 (1)2 calcula dos electrones posibles que encajarán en el primer nivel de energía.
Segundo número cuántico: subcapas de electrones
El segundo número cuántico denota subniveles y se designa con la letra l. Este número cuántico denota subcapas de electrones y la forma general de la nube de electrones.
Los dos primeros números cuánticos están relacionados. Para cualquier dado norte, l puede tomar cualquier integral comenzando con 0 hasta un máximo de (norte – 1); l = 0, 1, 2, 3 ...
Los niveles cuánticos, l = 0, 1, 2, 3 corresponden a las subcapas de electrones s, p, d, f, respectivamente. La forma de s es esférica, p tiene forma de ocho y los orbitales d y f tienen un diseño más intrincado, en su mayoría con orbitales en forma de trébol.
Cada subcapa de electrones puede contener una cierta cantidad de electrones, s = 2, p = 6, d = 10 yf = 14.
Tercer número cuántico: dirección orbital
El tercer número cuántico m_l_, denota cómo se dirige la nube de electrones en el espacio.
Este número cuántico puede tener cualquier valor integral, incluido 0, entre l y -l (el segundo número cuántico), o, m_l = _l... 2, 1, 0, -1, -2... -l
Para l = 0, solo hay 1 m_l valor, también 0. Contiene solo un orbital. Para un orbital p, ml_ = 1, 0, -1. Esto corresponde a los tres orbitales p en tres direcciones diferentes, pX, pagy, pagz, correspondiente a los ejes x, y y z tridimensionales.
Cuarto número cuántico: giro del electrón
El cuarto número cuántico designa el giro en sentido horario o antihorario.
Un electrón es una partícula cargada que gira sobre un eje y, por lo tanto, tiene propiedades magnéticas. Este número cuántico no está relacionado con n, l, ml, y solo puede tener dos valores posibles: +1/2 o -1/2.
La adición del cuarto número cuántico permite que los electrones se llenen de orbitales sin romper el principio de exclusión de Pauli. Esto establece que dos electrones no pueden tener el mismo conjunto de cuatro números cuánticos.
Usar números cuánticos para calcular orbitales
Recuerde que encontrar la cantidad de orbitales en un nivel de energía se puede derivar mediante la fórmula norte2. Para el nivel de energía 3, n = (3)2 o nueve orbitales.
Se puede realizar un cálculo más completo utilizando la información de los números cuánticos anteriores. Para norte = 3, los valores de l Puede ser añadido. Para l = 0, solo hay un orbital, metrol = 0. Para l = 1, hay tres valores (metrol = −1, 0 o +1). Para l = 2, hay cinco valores posibles (metrol = −2, −1, 0, +1 o +2). Entonces, sumar las posibilidades da 1 + 3 + 5 = 9 orbitales en total.