Vier soorten orbitalen en hun vormen

Atomen zijn samengesteld uit een zware kern omgeven door lichte elektronen. Het gedrag van de elektronen wordt bepaald door de regels van de kwantummechanica. Die regels stellen elektronen in staat om specifieke regio's te bezetten die orbitalen worden genoemd. De interacties van atomen verlopen bijna uitsluitend via hun buitenste elektronen, dus de vorm van die orbitalen wordt erg belangrijk. Als atomen bijvoorbeeld naast elkaar worden gebracht en hun buitenste orbitalen elkaar overlappen, kunnen ze een sterke chemische binding creëren; dus enige kennis van de vorm van de orbitalen is belangrijk voor het begrijpen van atomaire interacties.

Natuurkundigen hebben het handig gevonden om steno te gebruiken om de kenmerken van elektronen in een atoom te beschrijven. De afkorting is in termen van kwantumgetallen; deze getallen kunnen alleen hele getallen zijn, geen breuken. Het belangrijkste kwantumgetal, n, is gerelateerd aan de energie van het elektron; dan is er het orbitale kwantumgetal, l, en het impulsmomentkwantumgetal, m. Er zijn andere kwantumgetallen, maar die zijn niet direct gerelateerd aan de vorm van de orbitalen. Orbitalen zijn geen banen, in de zin dat ze paden rond de kern zijn; in plaats daarvan vertegenwoordigen ze de posities waar het elektron het meest waarschijnlijk wordt gevonden.

Voor elke waarde van n is er één orbitaal waarbij zowel l als m gelijk zijn aan nul. Die orbitalen zijn bollen. Hoe hoger de waarde van n, hoe groter de bol - dat wil zeggen, hoe waarschijnlijker het is dat het elektron verder van de kern zal worden gevonden. De bollen zijn niet overal even dicht; ze lijken meer op geneste schelpen. Om historische redenen wordt dit een s-orbitaal genoemd. Vanwege de regels van de kwantummechanica moeten de elektronen met de laagste energie, met n=1, zowel l als m gelijk aan nul hebben, dus de enige orbitaal die bestaat voor n=1 is de s-orbitaal. De s-orbitaal bestaat ook voor elke andere waarde van n.

Als n groter is dan één, ontstaan ​​er meer mogelijkheden. L, het orbitale kwantumgetal, kan elke waarde tot n-1 hebben. Als l gelijk is aan één, wordt de orbitaal een p-orbitaal genoemd. P-orbitalen zien eruit als dumbbells. Voor elke l gaat m van positief naar negatief l in stappen van één. Dus voor n=2, l=1, kan m gelijk zijn aan 1, 0 of -1. Dat betekent dat er drie versies van de p-orbitaal zijn: een met de halter op en neer, een andere met de halter van links naar rechts en een andere met de halter in een rechte hoek op beide anderen. P-orbitalen bestaan ​​voor alle hoofdkwantumgetallen groter dan één, hoewel ze een extra structuur hebben naarmate n hoger wordt.

Wanneer n=3, dan kan l gelijk zijn aan 2, en wanneer l=2, kan m gelijk zijn aan 2, 1, 0, -1 en -2. De l=2 orbitalen worden d-orbitalen genoemd, en er zijn vijf verschillende die overeenkomen met de verschillende waarden van m. De n=3, l=2, m=0 orbitaal ziet er ook uit als een halter, maar met een donut om het midden. De andere vier d-orbitalen zien eruit als vier eieren die in een vierkant patroon op elkaar zijn gestapeld. Bij de verschillende versies wijzen de eieren gewoon in verschillende richtingen.

De n=4, l=3 orbitalen worden f-orbitalen genoemd en zijn moeilijk te beschrijven. Ze hebben meerdere complexe functies. Bijvoorbeeld de n=4, l=3, m=0; m=1; en m=-1 orbitalen hebben weer de vorm van halters, maar nu met twee donuts tussen de uiteinden van de halter. De andere m-waarden zien eruit als een bundel van acht ballonnen, met al hun knopen in het midden aan elkaar gebonden.

De wiskunde die de elektronenorbitalen regelt, is behoorlijk complex, maar er zijn veel online bronnen die grafische realisaties van de verschillende orbitalen bieden. Die tools zijn erg handig bij het visualiseren van het gedrag van elektronen rond atomen.