Patru tipuri de orbitali și formele lor

Atomii sunt compuși dintr-un nucleu greu înconjurat de electroni ușori. Comportamentul electronilor este guvernat de regulile mecanicii cuantice. Aceste reguli permit electronilor să ocupe regiuni specifice numite orbitali. Interacțiunile atomilor sunt aproape exclusiv prin intermediul electronilor lor cei mai exteriori, astfel încât forma acelor orbitali devine foarte importantă. De exemplu, atunci când atomii sunt aduși unul lângă celălalt, dacă orbitalii lor externi se suprapun, atunci pot crea o legătură chimică puternică; deci unele cunoștințe despre forma orbitalilor sunt importante pentru înțelegerea interacțiunilor atomice.

Fizicienii au găsit convenabil să folosească stenograma pentru a descrie caracteristicile electronilor dintr-un atom. Stenograma este în termeni de numere cuantice; aceste numere pot fi doar numere întregi, nu fracții. Numărul cuantic principal, n, este legat de energia electronului; apoi există numărul cuantic orbital, l și numărul cuantic al momentului unghiular, m. Există și alte numere cuantice, dar nu sunt direct legate de forma orbitalilor. Orbitalii nu sunt orbite, în sensul că sunt căi în jurul nucleului; în schimb, ele reprezintă pozițiile în care este cel mai probabil să se găsească electronul.

Pentru fiecare valoare a lui n, există un orbital în care atât l cât și m sunt egale cu zero. Acei orbitali sunt sfere. Cu cât valoarea lui n este mai mare, cu atât sfera este mai mare - adică este mai probabil ca electronul să fie găsit mai departe de nucleu. Sferele nu sunt la fel de dense pe tot parcursul; seamănă mai mult cu scoici cuibărite. Din motive istorice, acest lucru se numește orbital s. Datorită regulilor mecanicii cuantice, electronii cu cea mai mică energie, cu n = 1, trebuie să aibă atât l cât și m egali cu zero, deci singurul orbital care există pentru n = 1 este orbitalul s. Orbitalul s există și pentru orice altă valoare a lui n.

Când n este mai mare decât unul, se deschid mai multe posibilități. L, numărul cuantic orbital, poate avea orice valoare până la n-1. Când l este egal cu unul, orbitalul se numește orbital p. Orbitalele P arată ca niște gantere. Pentru fiecare l, m trece de la pozitiv la negativ l în pași de unul. Deci, pentru n = 2, l = 1, m poate fi egal cu 1, 0 sau -1. Asta înseamnă că există trei versiuni ale orbitalului p: una cu gantera în sus și în jos, alta cu gantera de la stânga la dreapta și alta cu gantera în unghi drept față de celelalte. Orbitalele P există pentru toate numerele cuantice principale mai mari decât unul, deși au o structură suplimentară pe măsură ce n devine mai mare.

Când n = 3, atunci l poate fi egal cu 2, iar când l = 2, m poate fi egal cu 2, 1, 0, -1 și -2. L = 2 orbitali sunt numiți orbitali d, și există cinci diferiți care corespund diferitelor valori ale m. Orbitalul n = 3, l = 2, m = 0 arată, de asemenea, ca o halteră, dar cu o gogoșă în jurul mijlocului. Ceilalți patru orbitali d arată ca patru ouă stivuite la capăt într-un model pătrat. Diferitele versiuni au doar ouă îndreptate în direcții diferite.

Orbitalele n = 4, l = 3 se numesc orbitalele f și sunt dificil de descris. Au mai multe caracteristici complexe. De exemplu, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; iar m = -1 orbitalii au din nou formă de gantere, dar acum cu două gogoși între capetele bilei. Celelalte valori m arată ca un pachet de opt baloane, cu toate nodurile legate între ele în centru.

Matematica care guvernează orbitalii electronilor este destul de complexă, dar există multe resurse online care oferă realizări grafice ale diferiților orbitali. Aceste instrumente sunt foarte utile în vizualizarea comportamentului electronilor în jurul atomilor.