Cztery rodzaje orbitali i ich kształty

Atomy składają się z ciężkiego jądra otoczonego lekkimi elektronami. Zachowanie elektronów rządzi się prawami mechaniki kwantowej. Te zasady pozwalają elektronom zajmować określone regiony zwane orbitalami. Oddziaływania atomów zachodzą prawie wyłącznie poprzez ich skrajne elektrony, więc kształt tych orbitali staje się bardzo ważny. Na przykład, gdy atomy są umieszczone obok siebie, jeśli ich skrajne orbitale zachodzą na siebie, mogą stworzyć silne wiązanie chemiczne; więc pewna wiedza o kształcie orbitali jest ważna dla zrozumienia interakcji atomowych.

Fizycy uznali za wygodne używanie skrótów do opisywania właściwości elektronów w atomie. Skrót dotyczy liczb kwantowych; te liczby mogą być tylko liczbami całkowitymi, a nie ułamkami. Główna liczba kwantowa n jest związana z energią elektronu; następnie mamy orbitalną liczbę kwantową l i liczbę kwantową momentu pędu m. Istnieją inne liczby kwantowe, ale nie są one bezpośrednio związane z kształtem orbitali. Orbitale nie są orbitami, w sensie bycia ścieżkami wokół jądra; zamiast tego reprezentują pozycje, w których najprawdopodobniej znajduje się elektron.

Dla każdej wartości n istnieje jeden orbital, w którym zarówno l, jak i m są równe zero. Te orbitale to kule. Im wyższa wartość n, tym większa kula — to znaczy, tym większe prawdopodobieństwo, że elektron znajdzie się dalej od jądra. Sfery nie są jednakowo gęste; bardziej przypominają zagnieżdżone muszle. Ze względów historycznych nazywa się to orbitalem. Ze względu na zasady mechaniki kwantowej, elektrony o najniższej energii, przy n=1, muszą mieć l i m równe zero, więc jedynym orbitalem, który istnieje dla n=1, jest orbital s. Orbital s istnieje również dla każdej innej wartości n.

Gdy n jest większe niż jeden, otwiera się więcej możliwości. L, orbitalna liczba kwantowa, może mieć dowolną wartość do n-1. Kiedy l równa się jeden, orbital nazywamy orbitalem p. Orbitale P wyglądają jak hantle. Dla każdego l m przechodzi od dodatniego do ujemnego l w krokach co jeden. Tak więc dla n=2, l=1, m może być równe 1, 0 lub -1. Oznacza to, że istnieją trzy wersje orbitalu p: jedna z hantlami w górę iw dół, inna z hantlami od lewej do prawej i inna z hantlami ustawionymi pod kątem prostym do obu pozostałych. Orbitale P istnieją dla wszystkich głównych liczb kwantowych większych niż jeden, chociaż mają dodatkową strukturę, gdy n rośnie.

Gdy n=3, to l może wynosić 2, a gdy l=2, m może wynosić 2, 1, 0, -1 i -2. Orbitale l=2 nazywane są orbitalami d i istnieje pięć różnych odpowiadających różnym wartościom m. Orbital n=3, l=2, m=0 również wygląda jak hantle, ale z pączkiem pośrodku. Pozostałe cztery orbitale d wyglądają jak cztery jajka ułożone na końcu w kwadratowy wzór. Różne wersje mają po prostu jajka skierowane w różnych kierunkach.

Orbitale n=4, l=3 nazywane są orbitalami f i są trudne do opisania. Mają wiele złożonych funkcji. Na przykład n=4, l=3, m=0; m=1; a orbitale m=-1 są znowu w kształcie hantli, ale teraz z dwoma pączkami między końcami sztangi. Pozostałe wartości m wyglądają jak wiązka ośmiu balonów, z wszystkimi węzłami związanymi razem pośrodku.

Matematyka rządząca orbitalami elektronowymi jest dość złożona, ale istnieje wiele zasobów internetowych, które zapewniają graficzne realizacje różnych orbitali. Narzędzia te są bardzo pomocne w wizualizacji zachowania elektronów wokół atomów.