Cuatro tipos de orbitales y sus formas

Los átomos están compuestos de un núcleo pesado rodeado de electrones ligeros. El comportamiento de los electrones se rige por las reglas de la mecánica cuántica. esas reglas permiten que los electrones ocupen regiones específicas llamadas orbitales. Las interacciones de los átomos son casi exclusivamente a través de sus electrones más externos, por lo que la forma de esos orbitales se vuelve muy importante. por ejemplo, cuando los átomos se colocan uno junto al otro, si sus orbitales más externos se superponen, pueden crear un fuerte enlace químico; por lo tanto, un cierto conocimiento de la forma de los orbitales es importante para entender las interacciones atómicas.

a los físicos les ha parecido conveniente usar la taquigrafía para describir las características de los electrones en un átomo. la taquigrafía es en términos de números cuánticos; estos números solo pueden ser números enteros, no fracciones. el número cuántico principal, n, está relacionado con la energía del electrón; luego está el número cuántico orbital, l, y el número cuántico de momento angular, m. Hay otros números cuánticos, pero no están directamente relacionados con la forma de los orbitales. los orbitales no son órbitas, en el sentido de ser caminos alrededor del núcleo; en cambio, representan las posiciones donde es más probable encontrar el electrón.

para cada valor de n, hay un orbital donde l y m son iguales a cero. Esos orbitales son esferas. cuanto más alto es el valor de n, más grande es la esfera, es decir, más probable es que el electrón se encuentre más alejado del núcleo. las esferas no son igualmente densas en todas partes; son más como conchas anidadas. Por razones históricas, esto se llama un orbital s. Debido a las reglas de la mecánica cuántica, los electrones de menor energía, con n = 1, deben tener l y m iguales a cero, por lo que el único orbital que existe para n = 1 es el orbital s. El orbital s también existe para cualquier otro valor de n.

Cuando n es mayor que uno, se abren más posibilidades. l, el número cuántico orbital, puede tener cualquier valor hasta n-1. cuando l es igual a uno, el orbital se llama ap orbital. Los orbitales p parecen pesas. para cada l, m va de positivo a negativo l en pasos de uno. entonces, para n = 2, l = 1, m puede ser igual a 1, 0 o -1. eso significa que hay tres versiones del orbital p: una con la mancuerna arriba y abajo, otra con la mancuerna de izquierda a derecha y otra con la mancuerna en ángulo recto con las otras dos. Los orbitales p existen para todos los números cuánticos principales mayores que uno, aunque tienen una estructura adicional a medida que n aumenta.

cuando n = 3, entonces l puede ser igual a 2, y cuando l = 2, m puede ser igual a 2, 1, 0, -1 y -2. Los orbitales l = 2 se denominan orbitales d, y hay cinco diferentes que corresponden a los diferentes valores de m. el n = 3, l = 2, m = 0 orbital también parece una mancuerna, pero con una dona alrededor del medio. los otros cuatro orbitales d parecen cuatro huevos apilados en un patrón cuadrado. Las diferentes versiones solo tienen los huevos apuntando en diferentes direcciones.

Los n = 4, l = 3 orbitales se llaman f orbitales, y son difíciles de describir. Tienen múltiples características complejas. por ejemplo, el n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; y los orbitales m = -1 tienen la forma de mancuernas de nuevo, pero ahora con dos rosquillas entre los extremos de la barra. los otros valores de m se parecen a un paquete de ocho globos, con todos sus nudos unidos en el centro.

Las matemáticas que gobiernan los orbitales de electrones son bastante complejas, pero hay muchos recursos en línea que proporcionan realizaciones gráficas de los diferentes orbitales. esas herramientas son muy útiles para visualizar el comportamiento de los electrones alrededor de los átomos.