Di Richard Gaughan Aggiornato il 30 agosto 2022
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Gli atomi sono costituiti da un nucleo pesante circondato da elettroni leggeri. La meccanica quantistica impone che gli elettroni occupino regioni distinte chiamate orbitali. Poiché le interazioni chimiche avvengono principalmente attraverso gli elettroni più esterni, la forma di questi orbitali è fondamentale per comprendere come gli atomi si legano e si comportano.
I fisici descrivono lo stato di un elettrone con un insieme di numeri quantici interi. Il numero quantico principale n si riferisce all'energia, mentre il numero quantico orbitale l e il numero quantico magnetico m determinare la geometria e l’orientamento dell’orbitale. Esistono ulteriori numeri quantici, ma non influenzano direttamente la forma orbitale. Gli orbitali rappresentano nuvole di probabilità, non percorsi elettronici letterali, attorno al nucleo.
Per ogni valore di n , c'è un orbitale dove entrambi l e m pari a zero. Questi sono gusci sferici, che si espandono in dimensioni come n aumenta. L'orbitale s è l'unico tipo che esiste per lo stato fondamentale (n=1) e appare in ogni livello energetico principale. Sebbene la densità elettronica sia maggiore vicino al nucleo, la sfera è effettivamente annidata come gusci concentrici.
Quando n supera uno, sorgono tipi orbitali aggiuntivi. Per io uguale a uno, l'orbitale è detto orbitale p. Questi assomigliano ai manubri. Ciascuno l il valore consente m variare da –l a +l a passi interi, ottenendo tre orbitali p a ciascun livello superiore a n=1:uno orientato lungo l'asse z (m=0) e due ortogonali nel piano x–y (m=±1). Gli orbitali P compaiono in tutti i principali livelli energetici sopra il primo, con sottili cambiamenti strutturali come n cresce.
In n=3, l può essere 2, dando origine agli orbitali d. Esistono cinque orbitali d distinti corrispondenti a m =–2, –1, 0, 1, 2. L'orbitale m=0 d ricorda un manubrio con una “ciambella” toroidale al centro, mentre gli altri quattro sembrano quattro lobi disposti a piramide quadrata, ciascuno orientato diversamente. Gli orbitali D sono presenti ogni volta che il numero quantico principale è almeno tre.
Per n=4, l è uguale a 3, producendo orbitali f. Questi sono i più complessi e difficili da visualizzare. Gli orbitali m=0, ±1 assomigliano a manubri con due anelli toroidali che fiancheggiano la barra centrale, mentre i restanti valori m producono forme simili a fasci di otto palloncini legati insieme in un nodo centrale. Gli orbitali F diventano disponibili a tutti i livelli energetici dove n è quattro o maggiore.
La matematica dietro gli orbitali elettronici è complessa, ma numerosi strumenti online riproducono graficamente queste forme. Tali visualizzazioni sono preziose per comprendere come gli elettroni si distribuiscono attorno a un nucleo.
