Quattro tipi di orbitali e le loro forme

Gli atomi sono composti da un nucleo pesante circondato da elettroni leggeri. Il comportamento degli elettroni è governato dalle regole della meccanica quantistica. Queste regole consentono agli elettroni di occupare regioni specifiche chiamate orbitali. Le interazioni degli atomi avvengono quasi esclusivamente attraverso i loro elettroni più esterni, quindi la forma di quegli orbitali diventa molto importante. Ad esempio, quando gli atomi vengono portati uno accanto all'altro, se i loro orbitali più esterni si sovrappongono, possono creare un forte legame chimico; quindi una certa conoscenza della forma degli orbitali è importante per comprendere le interazioni atomiche.

I fisici hanno trovato conveniente usare una stenografia per descrivere le caratteristiche degli elettroni in un atomo. La stenografia è in termini di numeri quantici; questi numeri possono essere solo numeri interi, non frazioni. Il numero quantico principale, n, è correlato all'energia dell'elettrone; poi c'è il numero quantico orbitale, l, e il numero quantico del momento angolare, m. Esistono altri numeri quantici, ma non sono direttamente correlati alla forma degli orbitali. Gli orbitali non sono orbite, nel senso che sono percorsi attorno al nucleo; rappresentano invece le posizioni in cui è più probabile che si trovi l'elettrone.

Per ogni valore di n esiste un orbitale in cui sia l che m sono uguali a zero. Quegli orbitali sono sfere. Più alto è il valore di n, più grande è la sfera, cioè più è probabile che l'elettrone si trovi più lontano dal nucleo. Le sfere non sono ugualmente dense dappertutto; sono più simili a conchiglie nidificate. Per ragioni storiche, questo è chiamato orbitale s. A causa delle regole della meccanica quantistica, gli elettroni di energia più bassa, con n=1, devono avere sia l che m uguali a zero, quindi l'unico orbitale che esiste per n=1 è l'orbitale s. L'orbitale s esiste anche per ogni altro valore di n.

Quando n è maggiore di uno, si aprono più possibilità. L, il numero quantico orbitale, può avere qualsiasi valore fino a n-1. Quando l è uguale a uno, l'orbitale è chiamato orbitale p. Gli orbitali P sembrano dei manubri. Per ogni l, m passa da l positivo a l negativo in passi di uno. Quindi, per n=2, l=1, m può essere uguale a 1, 0 o -1. Ciò significa che ci sono tre versioni dell'orbitale p: una con il manubrio su e giù, un'altra con il manubrio da sinistra a destra e un'altra con il manubrio ad angolo retto rispetto a entrambi gli altri. Gli orbitali P esistono per tutti i principali numeri quantici maggiori di uno, sebbene abbiano una struttura aggiuntiva man mano che n aumenta.

Quando n=3, allora l può essere uguale a 2 e quando l=2, m può essere uguale a 2, 1, 0, -1 e -2. Gli orbitali l=2 sono chiamati orbitali d, e ce ne sono cinque diversi corrispondenti ai diversi valori di m. Anche l'orbitale n=3, l=2, m=0 sembra un manubrio, ma con una ciambella al centro. Gli altri quattro orbitali d sembrano quattro uova impilate su un'estremità in uno schema quadrato. Le diverse versioni hanno solo le uova che puntano in direzioni diverse.

Gli orbitali n=4, l=3 sono chiamati orbitali f e sono difficili da descrivere. Hanno molteplici caratteristiche complesse. Ad esempio, n=4, l=3, m=0; m=1; e gli orbitali m=-1 sono di nuovo a forma di manubri, ma ora con due ciambelle tra le estremità del bilanciere. Gli altri valori m assomigliano a un fascio di otto palloncini, con tutti i loro nodi legati insieme al centro.

La matematica che governa gli orbitali elettronici è piuttosto complessa, ma ci sono molte risorse online che forniscono realizzazioni grafiche dei diversi orbitali. Questi strumenti sono molto utili per visualizzare il comportamento degli elettroni attorno agli atomi.