Liczby kwantowe i orbitale definicja i właściwości

Liczby kwantowe to wartości charakteryzujące dyskretne (tj. nieciągłe) wielkości fizyczne m.in. elektronów, jąder atomowych, atomów czy cząsteczek. Są wykorzystywane do opisania stanu elektronu w atomie tzn. zdefiniowania orbitalu, na jakim omawiany elektron się znajduje. Wyróżnianych jest 5 liczb kwantowych: 

- główna liczba kwantowa,
- poboczna liczba kwantowa,
- magnetyczna liczba kwantowa,
- spinowa liczba kwantowa,
- magnetyczna spinowa liczba kwantowa.

Główna liczba kwantowa (n) określa numer powłoki, na której znajduje się elektron, a co za tym idzie, podaje przybliżoną odległość elektronu od jądra. Na podstawie głównej liczby kwantowej można określić energię elektronu w atomie, która zależy od jego odległości od jądra. Liczba n przybiera wartości 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oznaczające kolejno powłoki K, L, M, N, O, P, Q. Na podstawie wielkości głównej liczby kwantowej można obliczyć liczbę stanów kwantowych (tj. maksymalną liczbę elektronów), jaka zmieści się na powłoce. Główna liczba kwantowa charakteryzuje wielkość orbitali.

Poboczna liczba kwantowa (l) określa orbitalny moment pędu elektronu oraz oznacza numer podpowłoki, na jakiej zlokalizowany jest dany elektron. Liczba l przybiera wartości całkowite 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (od 0 do n-1), które odpowiadają podpowłokom s, p, d, f, g, h, i. Poboczna liczba kwantowa definiuje kształt orbitali.

Magnetyczna liczba kwantowa (m) określa orientację przestrzenną orbitalnego momentu pędu elektronu, tzn. opisuje zachowanie chmury elektronów w polu magnetycznym. Wartość liczby m jest uzależniony od wartości liczby l, jaką posiada dany elektron. 

Przykład:
dla l = 2, m to zbiór -2, -1, 0, 1, 2.

Magnetyczna liczba kwantowa charakteryzuje wzajemne ułożenie orbitali w przestrzeni.

Spinowa liczba kwantowa (s) dla elektronów jest stała i wynosi ½. Określa wewnętrzny moment pędu tj. spin elektronów.

Magnetyczna spinowa liczba kwantowa (ms) określa orientację przestrzenną wektoru spinu elektronu tzn. kierunek obrotu elektronu wokół własnej osi. W polu magnetycznym elektron może obrać się tylko w dwóch kierunkach, więc liczba MS przyjmuje tylko dwie wartości -1/2 i 1/2. Magnetyczna spinowa liczba kwantowa określa liczbę stanów kwantowych dla jednego orbitalu.

Znajomość wszystkich pięciu liczb kwantowych (poza spinową liczbą kwantową, która nie różnicuje elektronów) pozwala na dokładną charakterystyką orbitalu. Warto pamiętać, że zgodnie z zakazem Pauliego w atomie nie mogą istnieć dwa elektrony o takim samym stanie tj. posiadające taki sam zestaw liczb kwantowych.

Zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga nie da się jednocześnie ustalić dokładnego położenia i pędu cząsteczki tak małej jak np. elektron. Schrӧdinger opracował równanie falowe, którego rozwiązanie opisuje prawdopodobieństwo odnalezienia elektronu w danym punkcie w atomie. Rozwiązaniem tym są orbitale. Orbital należy postrzegać więc jako rozmytą chmurę ładunku elektrycznego wokół jądra, w której w dowolnym jej miejscu znajduje się elektron.

Wyróżnia się orbitale atomowe, opisujące elektrony w pierwiastku wolnym oraz orbitale molekularne, które opisują elektrony pierwiastków uczestniczących w tworzeniu wiązania chemicznego.Do orbitali atomowych zaliczane są: sferyczne orbitale s, orbitale p przypominające hantle oraz orbitale d i f, których kształt przypomina kombinację hantli oraz taurusów (pierścieni).

Orbitale molekularne dzieli się na orbitale wiążące (σ, π, δ), antywiążące oraz niewiążące. Orbitale σ powstają przez czołowe nałożenie się na siebie orbitali s lub p, orbitale π przez boczne nałożenie się orbitali p, d lub f, a orbitale δ powstają w wyniku bocznego nałożenia się orbitali d.

Na poniższej ilustracji zaprezentowane są przybliżone kształty poszczególnych orbitali (oraz kolejność zapełniania orbitali przez elektrony):