Fire typer orbitaler og deres former

Atomer er sammensatt av en tung kjerne omgitt av lette elektroner. Elektronenes oppførsel styres av kvantemekanikkens regler. Disse reglene tillater elektroner å okkupere spesifikke regioner som kalles orbitaler. Samspillet mellom atomer er nesten utelukkende gjennom deres ytterste elektroner, så formen på disse orbitalene blir veldig viktig. For eksempel, når atomer bringes ved siden av hverandre, hvis deres ytterste orbitaler overlapper hverandre, kan de skape en sterk kjemisk binding; så noe kunnskap om formen til orbitalene er viktig for å forstå atominteraksjoner.

Fysikere har funnet det praktisk å bruke stenografi for å beskrive egenskapene til elektroner i et atom. Forkortelsen er i form av kvantetall; disse tallene kan bare være hele tall, ikke brøker. Hovedkvantetallet, n, er relatert til elektronens energi; så er det orbitalkvantetallet, l og vinkelmomentet, m. Det er andre kvantetall, men de er ikke direkte relatert til formen til orbitalene. Orbitaler er ikke baner, i betydningen å være stier rundt kjernen; i stedet representerer de posisjonene der elektronet mest sannsynlig blir funnet.

For hver verdi av n er det en bane hvor både l og m er lik null. Disse orbitalene er kuler. Jo høyere verdien av n, jo større kule - det vil si desto mer sannsynlig er det at elektronet vil bli funnet lenger fra kjernen. Kulene er ikke like tette hele veien; de er mer som nestede skjell. Av historiske årsaker kalles dette en s orbital. På grunn av kvantemekanikkens regler, må elektronene med lavest energi, med n = 1, ha både l og m lik null, så den eneste bane som eksisterer for n = 1 er s bane. S bane eksisterer også for hver annen verdi av n.

Når n er større enn en, åpner det seg flere muligheter. L, orbital quantum number, kan ha hvilken som helst verdi opp til n-1. Når jeg er lik en, kalles orbitalen en p-orbital. P-orbitaler ser ut som dumbbells. For hver l går m fra positiv til negativ l i trinn på en. Så, for n = 2, l = 1, kan m være lik 1, 0 eller -1. Det betyr at det er tre versjoner av orbitalen: en med manualen opp og ned, en annen med manualen fra venstre mot høyre, og en annen med manualen i rett vinkel mot begge de andre. P-orbitaler finnes for alle hovedkvantetall større enn ett, selv om de har tilleggsstruktur når n blir høyere.

Når n = 3, kan l være lik 2, og når l = 2, kan m være lik 2, 1, 0, -1 og -2. Orbitalene l = 2 kalles d-orbitaler, og det er fem forskjellige som tilsvarer de forskjellige verdiene til m. Orbitalen n = 3, l = 2, m = 0 ser også ut som en manual, men med en smultring rundt midten. De andre fire d-orbitalene ser ut som fire egg stablet på enden i et firkantet mønster. De forskjellige versjonene har bare eggene som peker i forskjellige retninger.

Orbitalene n = 4, l = 3 kalles f orbitaler, og de er vanskelige å beskrive. De har flere komplekse funksjoner. For eksempel er n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; og m = -1 orbitaler er formet som manualer igjen, men nå med to smultringer mellom endene av vektstangen. De andre m-verdiene ser ut som en pakke med åtte ballonger, med alle knutene bundet sammen i midten.

Matematikken som styrer elektronorbitalene er ganske kompleks, men det er mange online ressurser som gir grafiske realiseringer av de forskjellige orbitalene. Disse verktøyene er veldig nyttige for å visualisere oppførselen til elektroner rundt atomer.