Gli atomi sono composti da un nucleo pesante circondato da elettroni leggeri. Il comportamento degli elettroni è regolato dalle regole della meccanica quantistica. Queste regole consentono agli elettroni di occupare regioni specifiche chiamate orbitali. Le interazioni degli atomi sono quasi esclusivamente attraverso i loro elettroni più esterni, quindi la forma di quegli orbitali diventa molto importante. Ad esempio, quando gli atomi vengono avvicinati l'uno all'altro, se i loro orbitali più esterni si sovrappongono possono creare un forte legame chimico; quindi una certa conoscenza della forma degli orbitali è importante per comprendere le interazioni atomiche.

Numeri quantici e orbitali

I fisici hanno trovato conveniente usare la stenografia per descrivere le caratteristiche degli elettroni in un atomo. La stenografia è in termini di numeri quantici; questi numeri possono essere solo numeri interi, non frazioni. Il numero quantico principale, n, è correlato all'energia dell'elettrone; poi c'è il numero quantico orbitale, l, e il numero quantico del momento angolare, m. Esistono altri numeri quantici, ma non sono direttamente correlati alla forma degli orbitali. Gli orbitali non sono orbite, nel senso di essere percorsi attorno al nucleo; invece, rappresentano le posizioni in cui è più probabile trovare l'elettrone.

S Orbitali

Per ogni valore di n, c'è un orbitale dove entrambe le m sono uguali a zero. Questi orbitali sono sfere. Più è alto il valore di n, più grande è la sfera, cioè più è probabile che l'elettrone si trovi più lontano dal nucleo. Le sfere non sono ugualmente densi dappertutto; sono più simili a shell nidificate. Per ragioni storiche, questo è chiamato s orbital. A causa delle regole della meccanica quantistica, gli elettroni di energia più bassa, con n = 1, devono avere entrambi l ed m uguali a zero, quindi l'unico orbitale che esiste per n = 1 è l'orbitale s. L'orbitale s esiste anche per ogni altro valore di n.

P Orbitali

Quando n è più grande di uno, si aprono più possibilità. L, il numero quantico orbitale, può avere qualsiasi valore fino a n-1. Quando io sono uguale a uno, l'orbitale è chiamato p orbitale. Gli orbitali P assomigliano a dei manubri. Per ogni l, m passa da positivo a negativo l in incrementi di uno. Quindi, per n = 2, l = 1, m può essere uguale a 1, 0 o -1. Ciò significa che ci sono tre versioni del porbitale: una con il manubrio su e giù, un altro con il manubrio da sinistra a destra, e un altro con il manubrio ad angolo retto rispetto a entrambi gli altri. Gli orbitali P esistono per tutti i numeri quantici principali maggiori di uno, sebbene abbiano una struttura aggiuntiva quando n diventa più alto.

D Orbitali

Quando n = 3, allora l può essere uguale a 2, e quando l = 2, m può essere uguale a 2, 1, 0, -1 e -2. Gli orbitali l = 2 sono chiamati orbitali d e ce ne sono cinque diversi corrispondenti ai diversi valori di m. Anche il n = 3, l = 2, m = 0 orbitale sembra un manubrio, ma con una ciambella attorno al centro. Gli altri quattro orbitali sembrano quattro uova impilate all'estremità in uno schema quadrato. Le diverse versioni hanno solo le uova che puntano in direzioni diverse.

F Orbitals

Gli n = 4, l = 3 orbitali sono chiamati orbitali f e sono difficili da descrivere. Hanno più funzioni complesse. Ad esempio, il n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; e m = -1 gli orbitali sono di nuovo a forma di manubri, ma ora con due ciambelle tra le estremità del bilanciere. Gli altri valori m assomigliano a un fascio di otto palloncini, con tutti i loro nodi legati al centro.

Visualizzazioni

La matematica che governa gli orbiti elettronici è piuttosto complessa, ma ci sono molte risorse online che forniscono realizzazioni grafiche dei diversi orbitali. Questi strumenti sono molto utili per visualizzare il comportamento degli elettroni attorno agli atomi.