Cuatro tipos de orbitales y sus formas

Los átomos están compuestos por un núcleo pesado rodeado por electrones ligeros. El comportamiento de los electrones se rige por las reglas de la mecánica cuántica. Esas reglas permiten que los electrones ocupen regiones específicas llamadas orbitales. Las interacciones de los átomos se producen casi exclusivamente a través de sus electrones más externos, por lo que la forma de esos orbitales se vuelve muy importante. Por ejemplo, cuando los átomos se colocan uno al lado del otro, si sus orbitales más externos se superponen, pueden crear un enlace químico fuerte; por lo que es importante conocer la forma de los orbitales para comprender las interacciones atómicas.

Los físicos han encontrado conveniente utilizar taquigrafía para describir las características de los electrones en un átomo. La taquigrafía está en términos de números cuánticos; estos números solo pueden ser números enteros, no fracciones. El número cuántico principal, n, está relacionado con la energía del electrón; luego está el número cuántico orbital, l, y el número cuántico de momento angular, m. Hay otros números cuánticos, pero no están directamente relacionados con la forma de los orbitales. Los orbitales no son órbitas, en el sentido de ser caminos alrededor del núcleo; en cambio, representan las posiciones donde es más probable que se encuentre el electrón.

Para cada valor de n, hay un orbital donde tanto l como m son iguales a cero. Esos orbitales son esferas. Cuanto mayor sea el valor de n, mayor será la esfera, es decir, más probable es que el electrón se encuentre más lejos del núcleo. Las esferas no son igualmente densas en todas partes; son más como conchas anidadas. Por razones históricas, esto se llama orbital s. Debido a las reglas de la mecánica cuántica, los electrones de menor energía, con n = 1, deben tener tanto l como m iguales a cero, por lo que el único orbital que existe para n = 1 es el orbital s. El orbital s también existe para cualquier otro valor de n.

Cuando n es mayor que uno, se abren más posibilidades. L, el número cuántico orbital, puede tener cualquier valor hasta n-1. Cuando l es igual a uno, el orbital se llama orbital p. Los orbitales P se parecen a mancuernas. Para cada l, m va de positivo a negativo en pasos de uno. Entonces, para n = 2, l = 1, m puede ser igual a 1, 0 o -1. Eso significa que hay tres versiones del orbital p: una con la mancuerna hacia arriba y hacia abajo, otra con la mancuerna de izquierda a derecha y otra con la mancuerna en ángulo recto con las otras dos. Los orbitales P existen para todos los números cuánticos principales mayores que uno, aunque tienen una estructura adicional a medida que n aumenta.

Cuando n = 3, entonces l puede ser igual a 2, y cuando l = 2, m puede ser igual a 2, 1, 0, -1 y -2. Los orbitales l = 2 se llaman orbitales d, y hay cinco diferentes que corresponden a los diferentes valores de m. El orbital n = 3, l = 2, m = 0 también parece una mancuerna, pero con una rosquilla en el medio. Los otros cuatro orbitales d parecen cuatro huevos apilados en un extremo en un patrón cuadrado. Las diferentes versiones solo tienen los huevos apuntando en diferentes direcciones.

Los orbitales n = 4, l = 3 se denominan orbitales f y son difíciles de describir. Tienen múltiples características complejas. Por ejemplo, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; y los orbitales m = -1 vuelven a tener forma de mancuernas, pero ahora con dos rosquillas entre los extremos de la barra. Los otros valores de m parecen un paquete de ocho globos, con todos sus nudos atados en el centro.

Las matemáticas que gobiernan los orbitales de los electrones son bastante complejas, pero hay muchos recursos en línea que brindan realizaciones gráficas de los diferentes orbitales. Esas herramientas son muy útiles para visualizar el comportamiento de los electrones alrededor de los átomos.