Los átomos se componen 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 acercan uno al otro, si sus orbitales más externos se superponen, entonces pueden crear un enlace químico fuerte; por lo que es importante conocer la forma de los orbitales para comprender las interacciones atómicas.

Números cuánticos y orbitales

Los físicos han considerado conveniente usar la taquigrafía para describir las características de los electrones en un átomo. La taquigrafía está 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 que se encuentre el electrón.

Orbitales S

Para cada valor de n, hay un orbital donde l y m son iguales a cero. Esos orbitales son esferas. Cuanto mayor sea el valor de n, mayor será la esfera, es decir, más probable es que el electrón se encuentre más alejado del núcleo. Las esferas no son igualmente densas en todo; son más como conchas anidadas. Por razones históricas, esto se llama orbital s. Debido a las reglas de la mecánica cuántica, los electrones de energía más baja, con n = 1, deben tener tanto l como m igual 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.

P Orbitales

Cuando n es más grande 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 orbital p. Los orbitales P se parecen a pesas. Para cada l, m pasa 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 estructura adicional a medida que n aumenta.

D Orbitales

Cuando n = 3, entonces puedo igualar 2, y cuando l = 2, m puede ser igual a 2, 1, 0, -1 y -2. Los orbitales l = 2 se llaman orbitales d, y hay cinco diferentes que corresponden a los diferentes valores de m. El orbital n = 3, l = 2, m = 0 también se parece a una mancuerna, pero con una rosquilla 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.

F Orbitales

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

Visualizaciones

Las matemáticas que rigen los orbitales de electrones son bastante complejas, pero existen 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.