Appunti di chimica - I numeri quantici

NUMERI  QUANTICI

Le caratteristiche di ciascun elettrone vengono definite attraverso quattro numeri detti numeri quantici.

Gli elettroni sono distribuiti in strati o livelli energetici; in ciascun livello energe­tico l'energia totale degli elettroni che lo occupano è approssimativamente la stessa; a ciascun livello energetico principale o fondamentale si assegna un numero intero (pag. B/3 fìg. 7): I, 2, 3, ..., n, detto numero quantico principale che ci informa circa l'energia degli elettroni nel livello energe­tico principale; si possono anche indicare con le lettere K, L, M, N, ... Inoltre il numero quantico principale indica il numero massimo di elettroni che possono essere contenuti in uno strato o livello energetico e che è 2-n²; così nel primo livello ener­getico o primo strato trovano posto I² = 2 elettroni; nel secondo 2 • 2² = 8 elet­troni; nel terzo 2 • 3² = 18 elettroni, ecc.

Ciascun livello energetico principale si divide in sottolivelli che determinano il secondo numero quantico chiamato numero quantico orbitale oppure numero quantico secondario o /.

Se in un certo istante potessimo deter­minare la posizione di un elettrone nello spazio e segnarla con un punto, determi­narla nuovamente in un altro istante, ed ancora in un altro, e così via per moltis­sime volte, otterremmo un disegno 'nel quale in una certa regione i punti sono molto prossimi tra loro, quasi si toccano, e in un'altra regione si vanno allontanando; questa rappresentazione costituisce la cosid­detta « nube elettronica» che ci dice dove è possibile trovare l'elettrone. Questa nube elettronica è molto spessa e densa in una regione, tenue in un'altra. Ha for­me particolari, a seconda delle differenti posizioni che può occupare un elettrone.

In realtà l'elettrone può stare in qualun­que punto intorno al nucleo, eccetto che nel nucleo; però c'è una regione dello spazio dove è molto probabile incontrare l'elettrone ed un'altra dove è molto poco probabile incontrarlo. Si chiama orbitale la regione dello spazio intorno ad un nucleo dove è più probabile incontrare l'elettrone, cioè dove la densità elettronica è massima.

Il numero quantico secondario, /, può assumere n valori, cominciando da 0; il tuo valore massimo è n — I; perciò questi valori sono O, 1,2     n — I ai quali si assegnano le lettere s, p, d, f e ci indica la forma e la grandezza dell'orbitale; così per n = I, / — 0; per n = 2, I assume i valori O e I ; ecc. Gli orbitali s hanno forma sferica e il loro diametro aumenta con il livello principale. Gli orbitali p hanno la forma mostrata nelle figure 3 e 4; gli orbi­tali d hanno le forme mostrate in figura 6. Tutti gli orbitali che non siano s si orien­tano secondo 3 assi cartesiani con origine nel nucleo. Nel primo livello energetico non ci sono orbitali p, nel secondo livello energetico non ci sono orbitali d, nel terzo non ci sono orbitali f, ecc.

Gli elettroni si simbolizzano cor. un numero (che è il numero quantico princi­pale, ed indica il livello energetico princi­pale dove l'elettrone è situato) seguito da una lettera (che corrisponde al numero quantico secondario ed indica la forma del­l'orbitale). Così l'elettrone Is è quell'elet­trone che ha numero quantico principale uguale ad I, cioè sta nel primo livello ener­getico, e ha un orbitale di forma sferica; l'elettrone 2s è un elettrone che sta nel secondo livèllo energetico e il cui orbitale è ancora sferico però ha raggio maggiore.

Poiché l'elettrone è una particella con una carica elettrica in movimento, esso crea un campo magnetico ed è, quindi, come una piccolissima calamità che si orienta se sottopósto ad un campo magne­tico esterno; i differenti orientamenti che può assumere vengono definiti dal terzo numero quantico, i) numero quantico ma­gnetico, m, anch'esso un numero intero positivo, nullo o negativo.

Gli elettroni hanno un movimento rota­torio su loro stessi o spin definito dal quarto numero quantico, il numero quan­tico di spin o rotazionale, che può assumere i valori — 1/2 e + 1/2 secondo che il senso della rotazione sia orario o antiorario. Due elettroni nel medesimo orbitale de­vono avere numeri quantici di spin opposti, cioè devono girare in senso contrario; si rappresentano con una freccia in su e una freccia in giu (fìg.5) e si dice che sono appaiati e costituiscono un doppietto. Due elettroni in orbitali diversi possono avere lo stesso numero di spin e non essere appaiati; si rappresentano con due frecce in su.

Principio di esclusione del Pauli.

—  Due elettroni di uno stesso atomo non possono avere tutti e quattro i numeri quantici uguali.