Четыре типа орбиталей и их формы

Атомы состоят из тяжелого ядра, окруженного легкими электронами. Поведение электронов регулируется правилами квантовой механики. Эти правила позволяют электронам занимать определенные области, называемые орбиталями. Взаимодействие атомов происходит почти исключительно через их внешние электроны, поэтому форма этих орбиталей становится очень важной. Например, когда атомы расположены рядом друг с другом, если их внешние орбитали перекрываются, они могут создать прочную химическую связь; поэтому некоторые знания формы орбиталей важны для понимания атомных взаимодействий.

Физики сочли удобным использовать стенографию для описания характеристик электронов в атоме. Сокращение выражается в квантовых числах; эти числа могут быть только целыми, а не дробными. Главное квантовое число n связано с энергией электрона; затем есть орбитальное квантовое число l и квантовое число углового момента m. Есть и другие квантовые числа, но они не имеют прямого отношения к форме орбиталей. Орбитали - это не орбиты в том смысле, что они являются путями вокруг ядра; вместо этого они представляют собой позиции, где электрон наиболее вероятно находится.

Для каждого значения n существует одна орбиталь, где l и m равны нулю. Эти орбитали - сферы. Чем выше значение n, тем больше сфера, то есть тем больше вероятность того, что электрон окажется дальше от ядра. Сферы не везде одинаково плотны; они больше похожи на вложенные оболочки. По историческим причинам это называется s-орбитальным. Согласно правилам квантовой механики, электроны с наименьшей энергией, с n = 1, должны иметь как l, так и m, равные нулю, поэтому единственная орбиталь, которая существует для n = 1, - это s-орбиталь. Орбиталь s также существует для любого другого значения n.

Когда n больше единицы, открывается больше возможностей. L, орбитальное квантовое число, может иметь любое значение до n-1. Когда l равно единице, орбиталь называется p-орбиталью. P-орбитали похожи на гантели. Для каждого l m изменяется от положительного к отрицательному l с шагом в единицу. Итак, для n = 2, l = 1, m может быть равно 1, 0 или -1. Это означает, что есть три версии p-орбитали: одна с гантелью вверх и вниз, другая с гантелью слева направо и третья с гантелью под прямым углом к ​​обоим остальным. P-орбитали существуют для всех главных квантовых чисел больше единицы, хотя они имеют дополнительную структуру по мере увеличения n.

Когда n = 3, тогда l может быть равно 2, а когда l = 2, m может быть равно 2, 1, 0, -1 и -2. L = 2 орбитали называются d-орбиталями, и есть пять разных орбиталей, соответствующих различным значениям m. Орбиталь n = 3, l = 2, m = 0 также выглядит как гантель, но с бубликом посередине. Остальные четыре d-орбитали выглядят как четыре яйца, сложенные на концах в форме квадрата. В разных версиях яйца просто направлены в разные стороны.

Орбитали n = 4, l = 3 называются f-орбиталями, и их сложно описать. У них есть несколько сложных функций. Например, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; и m = -1 орбитали снова имеют форму гантелей, но теперь с двумя пончиками между концами штанги. Остальные значения m выглядят как связка из восьми воздушных шаров со всеми их узлами, связанными вместе в центре.

Математика, управляющая электронными орбиталями, довольно сложна, но есть много онлайн-ресурсов, которые предоставляют графические реализации различных орбиталей. Эти инструменты очень полезны для визуализации поведения электронов вокруг атомов.