Mecánica cuántica cercana a la vida, comprensión de la tabla periódica

 

Conferenciante | Zheng Yuanzhong, profesor asociado, Departamento de Química, Universidad Nacional de Taiwán
Artículos consolidados y escritos | Lai Jiayi

● Conoces la existencia de la tabla periódica después de tomar una clase de química, pero ¿por qué la tabla periódica se ve así?

En la era en la que Mendeleev propuso la tabla periódica, los químicos pueden medir con precisión el peso atómico de un elemento, así como medir su valencia y predecir el compuesto que produce con oxígeno. En ese momento, la construcción de la tabla periódica se basaba en el orden del peso atómico, y los elementos que reaccionaban con el oxígeno se juntaban para formar una tabla.

A juzgar por el conocimiento actual, este asunto se daría por sentado, pero la apariencia de la tabla periódica ha pasado por un largo período de evolución. El big data es muy popular ahora, de hecho, los químicos son los primeros en hacer big data. La formación de la tabla periódica tiene como objetivo analizar los resultados de la integración de big data, condensando cientos de años de conocimiento químico en una tabla.

Usando la tabla periódica de Mendeleev, ajuste la posición del metal de transición y luego sáquelo como una tabla periódica moderna. Es una extensión de la tabla periódica de Mendreev y tiene la misma estructura básica. Además de preguntarnos por qué la tabla periódica se ve así, también queremos saber de dónde proviene la periodicidad de estos elementos.

● La tabla periódica en realidad refleja la apariencia de los átomos: cómo se ve.

Si vamos al zoológico, también podemos hacer una tabla periódica de animales: la fila más a la izquierda está llena de pájaros, de arriba a abajo en tamaño de pequeño a grande, y luego de izquierda a derecha, se colocan una variedad de animales. …….

Distinguimos diferentes animales según su apariencia, y cuando vemos un gato, sabemos que come carne. Cuando se trata de la apariencia de un átomo, ¿cree que está compuesto por un núcleo cargado positivamente y electrones cargados negativamente, con el núcleo en el medio y los electrones en el exterior, como un planeta orbitando? Ésta es una imagen completamente errónea.

Los electrones son muy pequeños y no siguen la trayectoria de la mecánica clásica, deben ser descritos por la mecánica cuántica. ¿Por qué la tabla periódica se ve así? Solo después de que se complete la mecánica cuántica se puede explicar completamente.

● El desarrollo de la mecánica cuántica y las ondas de materia.

Paul Dirac dijo en 1929 que debido al desarrollo de la mecánica cuántica, la mayoría de los principios básicos que describen los fenómenos físicos se han completado, y todos los fenómenos químicos deberían ser explicados por la mecánica cuántica, que por supuesto también incluye la tabla periódica. El principio. De 1869 a 1929, la tabla periódica se clasificó mediante análisis inductivo de datos experimentales y se aclararon claramente los principios en que se basaba. Tomó 60 años.

De Broglie propuso la teoría de la volatilidad de los electrones en 1924. Él cree que las partículas en nuestra vida diaria en realidad tienen volatilidad, y su longitud de onda y su momento son inversamente proporcionales.

Como resultado del experimento de difracción de electrones en 1927, se observaron franjas de difracción de electrones. El experimento de doble rendija de un solo electrón descubrió que los electrones interfieren con ellos mismos cuando pasan a través de las dobles rendijas, lo que demuestra que los electrones tienen propiedades fluctuantes y son ondas de probabilidad. En 1999, experimentos sobre la volatilidad de las moléculas de carbono 60 nos dijeron que el carbono 60 también es una onda, y que la materia es una onda. Existe una sólida evidencia experimental.

● La mecánica cuántica se ajusta a la experiencia diaria de todos, pero debe comprender todos los fenómenos cuánticos a partir de las propiedades de las ondas.

Cuando observamos la dinámica de un choque de onda estacionaria unidimensional, podemos distinguirlo por el número de nodos. Para una onda estacionaria sin nodos, podemos llamarlo el estado de n = 1, un nodo es n = 2 …, y así sucesivamente, Todos los estados estables de onda estacionaria se pueden construir agregando nodos, y cuanto mayor es la n, más corta es la longitud de onda. De la fórmula de De Broglie, parece que cuanto mayor es la n, mayor es la energía de la onda, lo que significa que los estados con más nodos tienen mayor energía.

Si los electrones vibran en un espacio unidimensional, tendrán propiedades como ondas de cuerda, excepto que las dos ondas corresponden a propiedades físicas diferentes. Las ondas estacionarias unidimensionales miran los nodos, las ondas estacionarias bidimensionales miran las líneas nodales y las ondas estacionarias tridimensionales miran los planos nodales. Cuando observamos la dinámica sísmica del parche bidimensional, encontraremos que pueden construirse agregando líneas nodales rectas y nudos de bucle, y generalizarse al espacio tridimensional, lo que indica que las ondas estacionarias tridimensionales se pueden usar para agregar superficies nodales planas y esféricas Construido de forma nodal.

Con la construcción de ondas estacionarias, podemos comenzar a considerar el estado de onda estacionaria de un electrón alrededor del núcleo. Los electrones son ondas de probabilidad, y la más estable debería ser una distribución esférica, no nodal. Al estado de los electrones distribuidos en el espacio lo llamamos orbital, y el estado más estable es el orbital 1s. Luego considere agregar planos nodales esféricos para construir 2s, 3s, … y otros orbitales s más grandes y de mayor energía. Si se agrega un plano nodal a partir de 1s, entonces se pueden construir orbitales p. Orbitales p similares se distribuyen en línea recta en el espacio, por lo que hay tres en total, correspondientes a las tres direcciones en el espacio tridimensional. El número total de áreas nodales es 1, que es lo mismo que el orbital 2s, por lo que la energía en el átomo de hidrógeno es la misma que la del orbital 2s, que se llama orbital 2p. Si agregas una superficie nodal esférica a 2p, obtienes un orbital 3p. Si agregas dos superficies nodales planas de 1s, obtienes un orbital 3d. La distribución de los orbitales d está en la superficie. Hay 5 tipos en el espacio tridimensional. d órbita. El número total de planos nodales de 3s, 3p y 3d son todos 2, que tienen la misma energía en átomos de hidrógeno. Orbital es el estado de onda estacionaria donde los electrones pueden existir de manera estable alrededor del núcleo. La forma y el número de estos orbitales son el resultado de la simetría esférica de los átomos en el espacio tridimensional. En los átomos de múltiples electrones, habrá la misma forma orbital.

La diferencia entre los átomos de múltiples electrones y los átomos de hidrógeno es el giro de los electrones y la repulsión entre los electrones. Un electrón es como un pequeño imán. Al atravesar un campo magnético desigual, se dividirá en dos haces, lo que indica que hay dos estados de momento magnético diferentes. Los llamamos espín hacia arriba y hacia abajo respectivamente. Considerando el espín del electrón, es incompatible. El principio nos dice que los electrones con el mismo giro no pueden ocupar la misma órbita. Si se van a llenar dos electrones en un orbital, uno gira hacia arriba y el otro gira hacia abajo. Además, existe una fuerza repulsiva entre los electrones. Aunque los orbitales 2s y 2p tienen el mismo número de nodos, su distribución en el espacio es diferente y la repulsión de electrones es diferente, por lo tanto, el nivel de energía orbital de un átomo de múltiples electrones es: s

Llenar electrones en la órbita es como construir un edificio alto, comenzando desde el lugar con la energía más baja. El hidrógeno tiene un solo electrón y llena el orbital 1s con la energía más baja. El helio tiene dos electrones y llena el orbital 1s. El litio tiene 3 electrones y completará el orbital 2s, y así sucesivamente, continuará completando, completará 3s después de que 2p esté lleno y entrará en el siguiente ciclo: este es el origen de la periodicidad.

Los electrones del núcleo interno tienen poca energía y no participan en reacciones químicas, solo los electrones de valencia más externos participarán en las reacciones químicas. Entonces, la forma en que interactúan los átomos depende del número de electrones de valencia. De acuerdo con la ley del octeto, los electrones más externos de un átomo son particularmente estables cuando están llenos, por lo que el átomo tiende a llenar sus electrones externos. El orbital 3s externo del átomo de sodio tiene un electrón más, y el orbital 3p externo del cloro tiene exactamente un electrón menos, por lo que se combinan para convertirse en un compuesto estable.

Volviendo a la tabla periódica de Mendeleev, si colocamos la configuración de electrones de valencia más externa en la misma columna, podemos usar la configuración de electrones de valencia para explicar la reactividad, periodicidad y valencia de los átomos.

¿Por qué la tabla periódica se ve así? Damos una explicación desde la perspectiva de las olas. A partir del modo de vibración de onda, utilice el plano tangente para comprender esta dinámica sísmica estable. Si la ecuación de Schrodinger del átomo de hidrógeno se resuelve matemáticamente, también se puede resolver la aparición de estos orbitales.

Pero cuando se enfrenta a un sistema de varios electrones, su ecuación de Schrodinger es muy complicada y sería difícil resolverla directamente. Afortunadamente, el desarrollo de la tecnología informática en los últimos años nos ha permitido resolver la ecuación de Schrodinger utilizando cálculos numéricos informáticos. La química cuántica nos permite explicar muchos fenómenos químicos, mediante cálculos de simulación, también podemos predecir varias propiedades químicas, lo que tiene un gran impacto en nuestra vida diaria.

Pasaron 60 años desde la tabla periódica de Mendeleev en 1869 hasta la finalización de la mecánica cuántica en 1929, y 90 años desde 1929 hasta la actualidad. Mirando hacia atrás a 150 años de la tabla periódica, pasamos de hacer la tabla periódica con conocimiento empírico, a comprender sus principios básicos con la mecánica cuántica, al desarrollo de la tecnología informática, la química cuántica para predecir los resultados de las reacciones químicas y finalmente a las aplicaciones prácticas en la industria.

Aunque cada paso en el camino parece lento, pero poco a poco, ha constituido un hermoso capítulo en la historia del desarrollo científico.


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