Štyri typy orbitálov a ich tvary

Atómy sa skladajú z ťažkého jadra obklopeného ľahkými elektrónmi. Správanie elektrónov sa riadi pravidlami kvantovej mechaniky. Tieto pravidlá umožňujú elektrónom obsadzovať konkrétne oblasti nazývané orbitály. Interakcie atómov prebiehajú takmer výlučne prostredníctvom ich najvzdialenejších elektrónov, takže tvar týchto orbitálov je veľmi dôležitý. Napríklad, keď sú atómy vedené vedľa seba a ak sa ich najvzdialenejšie orbitaly prekrývajú, môžu vytvoriť silnú chemickú väzbu; takže niektoré znalosti tvaru orbitalov sú dôležité pre pochopenie atómových interakcií.

Fyzici zistili, že je vhodné použiť skratku na opísanie charakteristík elektrónov v atóme. Skrátka je z hľadiska kvantových čísel; tieto čísla môžu byť iba celé čísla, nie zlomky. Hlavné kvantové číslo n súvisí s energiou elektrónu; potom je tu orbitálne kvantové číslo l a kvantové číslo momentu hybnosti m. Existujú aj ďalšie kvantové čísla, ktoré však priamo nesúvisia s tvarom orbitalov. Orbitály nie sú obežné dráhy v tom zmysle, že sú to cesty okolo jadra; namiesto toho predstavujú polohy, kde sa najpravdepodobnejšie nachádza elektrón.

Pre každú hodnotu n existuje jedna orbitálna dráha, kde l aj m sa rovnajú nule. Tým orbitálom sú sféry. Čím vyššia je hodnota n, tým väčšia je sféra - to znamená, že je pravdepodobnejšie, že elektrón sa nachádza ďalej od jadra. Gule nie sú všade rovnako husté; sú skôr ako vnorené škrupiny. Z historických dôvodov sa tomu hovorí s orbitál. Kvôli pravidlám kvantovej mechaniky musia elektróny s najnižšou energiou, s n = 1, mať obidva l a m rovné nule, takže jediný orbitál, ktorý existuje pre n = 1, je s. Orbitál existuje aj pre každú ďalšiu hodnotu n.

Ak je n väčšie ako jedna, otvára sa viac možností. L, orbitálne kvantové číslo, môže mať ľubovoľnú hodnotu až do n-1. Keď sa l rovná jednej, orbitál sa nazýva p orbitál. P orbitaly vyzerajú čosi ako činky. Pre každé l ide m v krokoch po jednej z kladného do záporného l. Pre n = 2, l = 1, m sa môže rovnať 1, 0 alebo -1. To znamená, že existujú tri verzie orbitálu p: jedna s činkou hore a dole, druhá s činkou zľava doprava a druhá s činkou v pravom uhle k ostatným. P orbitaly existujú pre všetky hlavné kvantové čísla väčšie ako jedno, aj keď majú vyššiu štruktúru, majú ďalšiu štruktúru.

Keď n = 3, potom l sa môže rovnať 2, a keď l = 2, m sa môže rovnať 2, 1, 0, -1 a -2. Orbitály l = 2 sa nazývajú orbitaly d a existuje päť rôznych, ktoré zodpovedajú rôznym hodnotám m. Orbitál n = 3, l = 2, m = 0 tiež vyzerá ako činka, ale s donutom okolo stredu. Ďalšie štyri d orbitaly vyzerajú ako štyri vajcia naskladané na koniec v štvorcovom vzore. Rôzne verzie majú vajcia nasmerované rôznymi smermi.

N = 4, l = 3 orbitaly sa nazývajú orbitaly a je ťažké ich opísať. Majú niekoľko zložitých funkcií. Napríklad n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; a m = -1 orbitaly majú opäť tvar činky, ale teraz s dvoma šiškami medzi koncami činky. Ostatné hodnoty m vyzerajú ako zväzok ôsmich balónov so všetkými uzlami zviazanými do stredu.

Matematika, ktorá riadi elektrónové orbitály, je dosť zložitá, ale existuje veľa online zdrojov, ktoré poskytujú grafické realizácie rôznych orbitálov. Tieto nástroje sú veľmi užitočné pri vizualizácii správania elektrónov okolo atómov.