Liczby kwantowe

Ostatnio prowadziłam lekcję dotyczącą konfiguracji elektronowej. Wszystko było jasne (w miarę jasne) do momentu gdy poprosiłam uczennicę o opisanie elektronów walencyjnych pewnego atomu za pomocą liczb kwantowych. 

Liczby kwantowe okazały się tak abstrakcyjne, że nawet patrząc w zeszyt i podręcznik nie była w tanie tego pojąć. 

Jak można wytłumaczyć sens liczb kwantowych?

Całkiem prosto!

Ze szkoły wiemy, że:

• główna liczba kwantowa (n) może przyjmować wartości 1, 2, 3... i określa poziom energetyczny - powłokę elektronową,
• poboczna liczba kwantowa (l) może przyjmować wartości 0, 1, 2... (n-1) i określa kształt orbitalu,
• magnetyczna liczba kwantowa (m) przyjmuje wartości -l... -2, -1, 0, 1, 2... +l i określa orientację przestrzenną orbitalu,
• magnetyczna liczba spinowa (m_s) przyjmuje wartości -1/2 i +1/2 i określa orientację spinu elektronu.

Nie jest to zbyt proste i przejrzyste, mam nadzieję że poniższy opis trochę Wam wyjaśni.

Wyobraźmy sobie, że atom to dość specyficzne miasto. W jego centrum znajduje się fontanna (jądro), wokół której biegną ulice (powłoki elektronowe), ulice te nie przecinają się, a każda z nich ma kształt okręgu. 

Przy pierwszej ulicy, położonej najbliżej fontanny, mieści się tylko jeden dom (orbital 1s). Ma on 2 kondygnacje: -1/2 i +1/2, a na każdej z nich może mieszkać tylko jeden lokator (elektron).

Druga ulica to dwa domy - wolnostojący (pod numerem 0) i szeregowiec (nr 1) złożony z trzech segmentów (o numerach -1, 0 i +1).

Przy trzeciej ulicy znajdziemy trzy budynki: wolnostojący i dwa szeregowce: 3- i 5-segmentowy.

Kolejna, czwarta ulica, mieści cztery budynki, jeden wolnostojący i trzy szeregowce. Każdy z nich składa się z innej liczby segmentów: trzech, pięciu lub siedmiu...

Wiedząc, że każdy dom i segment ma 2 kondygnacje, a na każdej z nich może się znaleźć tylko jeden lokator, możemy za pomocą liczb kwantowych podać dokładny ADRES, pod którym znajdziemy elektron.

Tak więc:

• główna liczba kwantowa (n) to numer ulicy,
• poboczna liczba kwantowa (l) to numer działki, na której znajduje się dom,
• magnetyczna liczba kwantowa (m) to numer domu/segmentu,
• magnetyczna liczba spinowa (m_s) to kondygnacja, na której "mieszka" elektron.

Chcecie przykłady?

Przeanalizujmy budowę atomu litu. Lit posiada trzy elektrony. Dwa pierwsze mieszkają przy pierwszej ulicy (główna liczba kwantowa n=1), w jedynym budynku pod numerem zero (poboczna liczba kwantowa l=0). Jest to dom wolnostojący (magnetyczna liczba kwantowa m=0). Elektrony zajmują obie kondygnacje (magnetyczna liczba spinowa m_s=-1/2 i +1/2). Kolejny, trzeci elektron, mieszka przy drugiej ulicy (n=2), w willi pod numerem 0 (l=0 i m=0). Zajmuje tylko jedno piętro w budynku, niech będzie to poziom -1/2 (m_s=-1/2). Jest to elektron walencyjny, bo znajduje się na ostatniej powłoce i to on będzie tworzył wiązania z innymi atomami.

Inny przykład - atom siarki, tu opiszemy tylko elektrony walencyjne. Zamieszkują one trzecią ulicę (główna liczba kwantowa n=3), dwa z nich znajdziemy w willi pod numerem 0 (poboczna liczba kwantowa l=0, magnetyczna liczba kwantowa m=0), kolejne cztery w szeregowcu pod numerem 1 (poboczna liczba kwantowa l=1). Szeregowiec składa się z trzech segmentów o adresach -1, 0 i +1 (magnetyczna liczba kwantowa m=-1, 0 i +1). Ponieważ w trzech segmentach "mieszkają" cztery elektrony, w jednym z nich zajmują one obie kondygnacje (m_s=-1/2 i +1/2), w kolejnych dwóch - po jednej (m_s=-1/2), a dwa mieszkania pozostają wolne. Mimo iż w każdym budynku są dwie kondygnacje, elektrony wolą mieszkać pojedynczo.

Reasumując, elektrony zaczynają zasiedlać miasto od centrum (wiadomo, że najfajniej jest pod fontanną) w kierunku obrzeży. Przy każdej z ulic najpierw zajmują wille, a dopiero później segmentowce. W nich elektrony wolą mieszkać pojedynczo i dopiero gdy zajmą wszystkie mieszkania na jednym poziomie, zaczynają zasiedlać drugą kondygnację. Tak można opisać REGUŁĘ HUNDA.

Nigdy nie znajdziemy dwóch elektronów w jednym mieszkaniu, pod tym samym adresem, mówi o tym ZAKAZ PAULIEGO.

Oczywiście porównanie do "miasta elektronów" nie wytłumaczy nam wszystkich przypadków, ale jest idealnym naprowadzeniem dla prostych przykładów. Wierzę, że dzięki niemu uda Wam się pojąć sens liczb kwantowych, a w dalszych rozważaniach nie będziecie już musieli odwoływać się do niego.

Trudne początki

Ostatnio dopadła mnie taka oto refleksja: jeśli nie ma Cię w internecie - nie istniejesz! 

Coraz więcej znajomych w myśl tej zasady prowadzi blogi... o gotowaniu, o rękodziele, o modzie, muzyce, czy sztuce... w większości są to młode mamy (choć nie jest to tylko ich domena).

A co ze mną? Jak mogę się zrealizować?

Gotować lubię, trochę umiem, ale czy na tyle dobrze, żeby się tym chwalić?

Trochę też szyję, ale ostatnio zupełnie nie mogę się zebrać (poza tym przy pełzającym po podłodze maleństwie lepiej nie ryzykować porozrzucanych szpilek)...

Na modzie się nie znam, na muzyce - raczej znałam, a o sztuce w szerszym ujęciu nawet nie wspominam.

Jedyne co mi pozostaje, to moja ukochana, choć odstawiona w zeszłym roku na boczny tor, CHEMIA.

Mam nadzieję, że ten blog pozwoli mi przypomnieć sobie efektowne reakcje, doczytać o chemicznych ciekawostkach i tym samym dokształcić się, a jednocześnie będzie inspiracją i pomocą dla Młodych Chemików, uczniów gimnazjów i szkół średnich. W końcu jestem też nauczycielką :)

To zaczynamy...