Štiri vrste orbital in njihove oblike

Atomi so sestavljeni iz težkega jedra, obdanega z lahkimi elektroni. Obnašanje elektronov urejajo pravila kvantne mehanike. Ta pravila omogočajo elektronom, da zasedajo določena območja, imenovana orbitale. Interakcije atomov potekajo skoraj izključno prek njihovih najbolj oddaljenih elektronov, zato postane oblika teh orbitalov zelo pomembna. Na primer, ko se atomi približajo drug drugemu, če se njihove najbolj oddaljene orbitale prekrivajo, lahko ustvarijo močno kemijsko vez; zato je nekaj znanja o obliki orbital pomembno za razumevanje atomskih interakcij.

Fizikom se je zdelo priročno uporabljati stenografijo za opis lastnosti elektronov v atomu. Okrajšava je izražena v smislu kvantnih števil; ta števila so lahko samo cela števila, ne pa tudi ulomki. Glavno kvantno število, n, je povezano z energijo elektrona; potem sta tu še orbitalno kvantno število l in kvantno število kotnega momenta m. Obstajajo tudi druga kvantna števila, ki pa niso neposredno povezana z obliko orbital. Orbitale niso orbite v smislu, da so poti okoli jedra; namesto tega predstavljajo položaje, kjer je najverjetneje najti elektron.

Za vsako vrednost n obstaja ena orbitala, kjer sta l in m enaka nič. Te orbitale so sfere. Višja kot je vrednost n, večja je krogla - to pomeni, večja je verjetnost, da bo elektron našel dlje od jedra. Krogle v celoti niso enako goste; so bolj kot ugnezdene lupine. Iz zgodovinskih razlogov se temu reče orbitala. Zaradi pravil kvantne mehanike morajo imeti elektroni z najnižjo energijo z n = 1 l in m enaka nič, zato je za n = 1 edina orbitala s s. Orbitala s obstaja tudi za vsako drugo vrednost n.

Ko je n večji od enega, se odpre več možnosti. L, orbitalno kvantno število, ima lahko katero koli vrednost do n-1. Ko je l enak eno, se orbitala imenuje p orbitala. P orbitale izgledajo nekako kot dumbbells. Za vsak l gre m od pozitivnega do negativnega l v korakih po en. Torej, za n = 2, l = 1, je m lahko enak 1, 0 ali -1. To pomeni, da obstajajo tri različice p orbitale: ena z utežjo navzgor in navzdol, druga z utežmi od leve proti desni in druga z utežjo, ki je pravokotna na obe drugi. P-orbitale obstajajo za vsa glavna kvantna števila, večja od ena, čeprav imajo dodatno strukturo, ko se n poveča.

Ko je n = 3, potem je lahko l enako 2, in ko je l = 2, je m lahko 2, 1, 0, -1 in -2. L = 2 orbitali se imenujejo d orbitali in obstaja pet različnih, ki ustrezajo različnim vrednostim m. Orbitala n = 3, l = 2, m = 0 je prav tako videti kot utež, vendar s krofom na sredini. Ostale štiri d orbitale so videti kot štiri jajčeca, zložena na koncu v kvadratnem vzorcu. Različne različice imajo samo jajčeca, ki kažejo v različne smeri.

N = 4, l = 3 orbitale imenujemo f orbitale in jih je težko opisati. Imajo več kompleksnih lastnosti. Na primer, n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; in m = -1 orbitale so spet oblikovane kot dumbbells, zdaj pa z dvema krofoma med koncema mrene. Ostale vrednosti m izgledajo nekako kot snop osmih balonov, v vozlu pa so vsi njihovi vozli povezani v sredini.

Matematika, ki ureja elektronske orbitale, je precej zapletena, vendar obstaja veliko spletnih virov, ki ponujajo grafične izvedbe različnih orbital. Ta orodja so zelo koristna pri vizualizaciji vedenja elektronov okoli atomov.