Μάθημα : Χημεία Προσανατολισμού - Κεφάλαιο 6 (Μέρος Β')

Το κάθε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο, περιγράφεται από μια τετράδα αριθμών που ονομάζονται κβαντικοί αριθμοί. Στο μοντέλο του Bohr, το οποίο όπως αναφέραμε ήταν ανεπαρκές, ένα ηλεκτρόνιο χαρακτηριζόταν μόνο από τον αριθμό της στοιβάδας στην οποία βρισκόταν, αλλά στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν και άλλοι παράμετροι που το κάνουν ξεχωριστό και μοναδικό σε κάθε άτομο.

Ο Κύριος Κβαντικός Αριθμός (n) που ορίστηκε από τον Bohr είναι ουσιαστικά ο αριθμός της στοιβάδας του ηλεκτρονίου και αυτή είναι και η μόνη πληροφορία που μας δίνει. Συνοπτικά για τον n μπορούμε να πούμε ότι:

• Προσδιορίζει τη στοιβάδα στην οποία βρίσκεται το ηλεκτρόνιο.
• Παίρνει τιμές ακέραιους θετικούς αριθμούς: n= 1,2,3,4...
• Παίζει ρόλο στην ενέργεια του e καθώς αντιπροσωπεύει την έλξη του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα.
• Kαθορίζει το μέγεθος των τροχιακών της στοιβάδας (μεγαλύτερο n -> μεγαλύτερο μέγεθος)

Ο Δευτερεύον Κβαντικός Αριθμός ή Αζιμουθιακός (l) εξαρτάται από το n:

• για κάθε στοιβάδα ο l μπορεί να πάρει όλες τις τιμές από το 0 έως το n-1. Τα τροχιακά με l=0 συμβολίζονται και με το γράμμα s, τα l=1 με το p, τα l=2 με το d, και τα l=3 με το f.
• Προσδιορίζει την υπόστοιβάδα στην οποία βρίσκεται το ηλεκτρόνιο.
• Παίζει ρόλο στην ενέργεια του ηλεκτρονίου καθώς αντιπροσωπεύει την άπωση του ηλεκτρονίου από τα άλλα ηλεκτρόνια. Στο Υδρογόνο και τα υδρογονοειδή (He⁺, Li²⁺, Be³⁺ κλπ που υπάρχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο, οι προβλέψεις του μοντέλου του Βohr ισχύουν καθώς υπάρχει μόνο 1 ηλεκτρόνιο και έτσι η ενέργεια καθορίζεται μόνο από το n).
• Kαθορίζει το σχήμα του τροχιακού (σφαιρικό τα s, σχήμα αλτήρα τα p κλπ).

Έτσι η 1η στοιβάδα (K) με n=1, έχει μόνο μια υποστοιβάδα την 1s καθώς η μόνη επιτρεπόμενη τιμή του l είναι  το 0.

Η 2η στοιβάδα (L) με n=2, έχει δυο υποστοιβάδες τις 2s και 2p, καθώς το l μπορεί να πάρει τις τιμές 0 και 1.

Η 3η στοιβάδα (Μ) με n=3, έχει τρεις υποστοιβάδες τις 3s και 3p και 3d, καθώς το l μπορεί να πάρει τις τιμές 0, 1 και 2 κλπ.

Ο Μαγνητικός Κβαντικός Αριθμός (m_l) εξαρτάται από το l:

• Σε κάθε υποστοιβάδα, μπορεί να πάρει όλες τις ακέραιες τιμές από το -l μέχρι το +l. Αυτό σημαίνει ότι η κάθε υποστοιβάδα έχει συνολικά 2l+1 διαφορετικές τιμές του m_l.
• Προσδιορίζει το τροχιακό στο οποίο βρίσκεται το ηλεκτρόνιο.
• Δεν παίζει ρόλο στην ενέργεια του τροχιακού, όλα τα τροχιακά μιας υποστοιβάδας έχουν την ίδια ενέργεια.
• Καθορίζει την κατεύθυνση του τροχιακού.

Έτσι, σύμφωνα με τα παραπάνω, σε οποιαδήποτε στοιβάδα υπάρχει μόνο ένα τροχιακό s (αφού l=0, m_l επίσης πρέπει να είναι 0). Υπενθυμίζεται ότι καθώς τα s τροχιακά είναι σφαιρικά, δεν έχουν κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Σε οποιαδήποτε στοιβάδα (εκτός από την Κ που δεν έχει κανένα) υπάρχουν πάντα τρία τροχιακά p (l=1, άρα το m_l μπορεί να πάρει τις τιμές -1, 0 και 1). Αν θεωρήσουμε ότι ο πυρήνας του ατόμου είναι στο σημείο (0,0,0) των αξόνων x,y,z τότε το p τροχιακό με m_l = 1 είναι παράλληλο στον άξονα x, το m_l =0 είναι παράλληλο στον άξονα z και το m_l = -1 παράλληλο στον άξονα y.

Σε οποιαδήποτε στοιβάδα (εκτός αυτές  που δεν έχουν) υπάρχουν πέντε τροχιακά d (l=2, m_l = -2, -1, 0, 1, 2), επτά τροχιακά f ((l=3, m_l = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3) κλπ

Ο Κβαντικός Αριθμός του Spin (m_s) δεν εξαρτάται από τους υπόλοιπους.

• Καθορίζει την κατεύθυνση προς την οποία περιστρέφεται το ηλεκτρόνιο γύρω από τον εαυτό του - ιδιοπεριστροφή. Το e μπορεί να περιστρέφεται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα.
• Μπορεί να πάρει δυο τιμές: +1/2 ή -1/2 αφού υπάρχουν μόνο δυο διαφορετικές καταστάσεις.
• Δεν επηρεάζει την ενέργεια του ηλεκτρονίου άμεσα.
• Προσδιορίζει ένα συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο του ατόμου (εφόσον είναι γνωστοί και οι προηγούμενοι 3 αριθμοί).