I livelli di energia e gli orbitali aiutano a descrivere la struttura elettronica di un atomo. Designano come gli elettroni sono disposti all'interno degli atomi e la descrizione di tali energie è derivata dalla teoria quantistica.
Teoria dei quanti
La teoria quantistica postula che gli atomi possano esistere solo in determinati stati energetici. Se un atomo, o un elettrone per correlazione, cambia stato, assorbe o emette una quantità di energia pari alla differenza di energia tra gli stati.
L'energia emessa o assorbita viene quantizzata; è energia caratterizzata da importi definiti. Questi stati energetici consentiti possono essere descritti da insiemi di numeri chiamati numeri quantici.
Numeri Quantici
La disposizione di un elettrone in un atomo può essere descritta da quattro numeri quantici: n, io, m_io_ e mS. Questi riguardano rispettivamente il livello di energia, i subshell degli elettroni, la direzione orbitale e lo spin.
Primo numero quantico: livello di energia
Il primo numero quantico è designato da n ed è il livello energetico principale.
La definizione del livello di energia principale dice all'osservatore la dimensione dell'orbitale e determina l'energia. Un aumento in n è un aumento di energia, e questo significa anche che l'elettrone è più lontano dal nucleo.
Il primo numero quantico può assumere solo valori interi, a partire da 1; n = 1, 2, 3, 4... Ad ogni livello di energia corrisponde anche una lettera: n = 1 (K), 2 (L), 3 (M), 4 (N) ...
Primo numero quantico: calcoli orbitali ed elettronici
Per calcolare la quantità di orbitali dal numero quantico principale, utilizzare n2. Non ci sono2 orbitali per ogni livello energetico. Per n = 1, c'è 12 o un orbitale. Per n = 2, ci sono 22 o quattro orbitali. Per n = 3 ci sono nove orbitali, per n = 4 ci sono 16 orbitali, per n = 5 ci sono 52 = 25 orbitali e così via.
Per calcolare il numero massimo di elettroni in ciascun livello energetico, la formula 2n2 può essere utilizzato, dove n è il livello di energia principale (primo numero quantico). Ad esempio, livello di energia 1, 2(1)2 calcola a due possibili elettroni che si adatteranno al primo livello di energia.
Secondo numero quantico: subshell di elettroni
Il secondo numero quantico denota i sottolivelli ed è designato dalla lettera io. Questo numero quantico denota i subshell di elettroni e la forma generale della nuvola di elettroni.
I primi due numeri quantici sono correlati. Per qualsiasi dato n, io può assumere qualsiasi integrale a partire da 0 fino a un massimo di (n – 1); io = 0, 1, 2, 3 ...
I livelli quantistici, io = 0, 1, 2, 3 corrispondono rispettivamente ai subshell di elettroni s, p, d, f. La forma di s è sferica, p è a forma di otto e gli orbitali d e f hanno un design più intricato, che coinvolge principalmente orbitali a forma di trifoglio.
Ogni subshell di elettroni può contenere una certa quantità di elettroni, s = 2, p = 6, d = 10 e f = 14.
Terzo numero quantico: direzione orbitale
Il terzo numero quantico m_io_, denota come la nuvola di elettroni è diretta nello spazio.
Questo numero quantico può avere qualsiasi valore integrale, compreso 0, compreso tra io e -io (il secondo numero quantico), o, m_io = _l... 2, 1, 0, -1, -2... -io
Per io = 0, c'è solo 1 m_io valore, anche 0. Questo contiene un solo orbitale. Per un orbitale p, mio_ = 1, 0, -1. Questo corrisponde ai tre orbitali p in tre direzioni diverse, pX, psì, pz, corrispondente all'asse tridimensionale x, yez.
Quarto numero quantico: spin elettronico
Il quarto numero quantico indica la rotazione in senso orario o antiorario.
Un elettrone è una particella carica che ruota su un asse e quindi ha proprietà magnetiche. Questo numero quantico non è correlato a n, io, mio, e può avere solo due valori possibili: +1/2 o -1/2.
L'aggiunta del quarto numero quantico consente agli elettroni di riempirsi negli orbitali senza violare il principio di esclusione di Pauli. Questo afferma che due elettroni non possono avere lo stesso insieme di quattro numeri quantici.
Utilizzo dei numeri quantici per calcolare gli orbitali
Ricorda che trovare la quantità di orbitali in un livello di energia può essere derivato dalla formula n2. Per il livello energetico 3, n = (3)2 o nove orbitali.
Un calcolo più completo può essere effettuato utilizzando le informazioni dei numeri quantici sopra. Per n = 3, i valori di io può essere aggiunto. Per io = 0, c'è un solo orbitale, mio = 0. Per io = 1, ci sono tre valori (mio = -1, 0 o +1). Per io = 2, ci sono cinque possibili valori (mio = -2, -1, 0, +1 o +2). Quindi sommando le possibilità si ottiene 1 + 3 + 5 = 9 orbitali in totale.