Por Richard Gaughan Actualizado el 30 de agosto de 2022
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Los átomos están formados por un núcleo pesado rodeado de electrones ligeros. La mecánica cuántica dicta que los electrones ocupan regiones distintas llamadas orbitales. Debido a que las interacciones químicas ocurren principalmente a través de los electrones más externos, la forma de estos orbitales es crucial para comprender cómo se unen y se comportan los átomos.
Los físicos describen el estado de un electrón con un conjunto de números cuánticos enteros. El número cuántico principal n se relaciona con la energía, mientras que el número cuántico orbital l y el número cuántico magnético m determinar la geometría y orientación del orbital. Existen números cuánticos adicionales, pero no influyen directamente en la forma de los orbitales. Los orbitales representan nubes de probabilidad (no trayectorias literales de electrones) alrededor del núcleo.
Para cada valor de n , hay un orbital donde ambos l y m igual a cero. Estas son conchas esféricas, cuyo tamaño se expande a medida que n aumenta. El orbital s es el único tipo que existe para el estado fundamental (n=1) y aparece en todos los niveles de energía principales. Aunque la densidad de electrones es mayor cerca del núcleo, la esfera está efectivamente anidada como capas concéntricas.
Cuando n excede uno, surgen tipos de orbitales adicionales. Para l igual a uno, el orbital se llama orbital p. Se parecen a las mancuernas. Cada l el valor permite m para variar desde –l a +l en pasos enteros, lo que produce tres orbitales p en cada nivel por encima de n=1:uno orientado a lo largo del eje z (m=0) y dos ortogonales en el plano x–y (m=±1). Los orbitales P aparecen en todos los niveles de energía principales por encima del primero, con cambios estructurales sutiles como n crece.
En n=3, l puede ser 2, dando lugar a orbitales d. Hay cinco orbitales d distintos correspondientes a m =–2, –1, 0, 1, 2. El orbital m=0 d se asemeja a una pesa con una “rosquilla” toroidal en el medio, mientras que los otros cuatro parecen cuatro lóbulos dispuestos en una pirámide cuadrada, cada uno de ellos orientado de manera diferente. Los orbitales D están presentes siempre que el número cuántico principal sea al menos tres.
Para n=4, l es igual a 3, lo que produce orbitales f. Estos son los más complejos y difíciles de visualizar. Los orbitales m=0, ±1 se asemejan a pesas con dos anillos toroidales que flanquean la barra central, mientras que los valores m restantes producen formas similares a haces de ocho globos atados entre sí en un nudo central. Los orbitales F están disponibles en todos los niveles de energía donde n es cuatro o más.
Las matemáticas detrás de los orbitales de los electrones son complejas, pero numerosas herramientas en línea representan gráficamente estas formas. Estas visualizaciones son invaluables para comprender cómo se distribuyen los electrones alrededor de un núcleo.
