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Orbital atómico


Orbital atómico
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Concepto:Las letras s, p, d, fidentificativas de los tipos de orbitales proceden de los nombres que recibieron los distintos grupos de líneas espectrales relacionadas con cada uno de los orbitales:

Orbital atómico es una zona del espacio donde existe una alta probabilidad (superior al 90%) de encontrar al electrón.

Origen

Esto supone considerar al electrón como una nube difusa de carga alrededor del núcleo con mayor densidad en las zonas donde la probabilidad de que se encuentre dicho electrón es mayor. Para que la ecuación de Schrödinger tenga significado físico es necesario imponerle unas restricciones que son conocidas como números cuánticos, que se simbolizan de la misma forma que los obtenidos en el modelo atómico de Bohr:

Números cuánticos

  • n:número cuántico principal
  • l:número cuántico del momento angular orbital
  • m:número cuántico magnético
  • s:número cuántico del spin electrónico.


Estos números cuánticos sólo pueden tomar ciertos valores permitidos:


Valores permitidos

  • para n: números enteros 1, 2, 3,.
  • para l: números enteros desde 0 hasta (n-1)
  • para m: todos los números enteros entre +l y -l incluido el 0
  • para s: sólo los números fraccionarios -1/2 y +1/2

Los valores del número cuántico n indican el tamaño del orbital, es decir su cercanía al núcleo. Los valores del número cuántico l definen el tipo de orbital:

• Si l= 0 el orbital es del tipo s • Si l= 1 los orbitales son del tipo p • Si l = 2 los orbitales son del tipo d • Si l= 3 los orbitales son del tipo f

Las letras s, p, d, f identificativas de los tipos de orbitales proceden de los nombres que recibieron los distintos grupos de líneas espectrales relacionadas con cada uno de los orbitales:

• sharp : líneas nítidas pero de poca intensidad • principal : líneas intensas • difuse : líneas difusas • fundamental : líneas frecuentes en muchos espectros

Son posibles otros tipos de orbitales como g, h, ...pero los elementos que conocemos, en sus estado fundamental, no presentan electrones que cumplan las condiciones cuánticas necesarias para que se den estos otros tipos de orbitales. Los valores del número cuántico m hacen referencia a la orientación espacial del orbital. El cuarto número cuántico, s, que define a un electrón en un átomo hace referencia al momento angular de giro del mismo. El conjunto de los cuatro números cuánticos definen a un electrón, no pudiendo existir en un mismo átomo dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales, por lo que una vez definido el tamaño, el tipo y la orientación de un orbital con los tres primeros números cuánticos, es decir los valores de n, l y m, sólo es posible encontrar un máximo de dos electrones en dicha situación que necesariamente tendrán valores diferentes de su número cuántico de spin.

Orbitales

Un orbital atómico es una función matemática que describe el comportamiento parecido a una onda tanto de un electrón como de un para de ellos en un átomo. Como funciones matemáticas, pueden usarse en combinaciones lineales (es decir, pueden sumarse y restarse). Esta función puede ser usada para calcular la probabilidad de encontrar el electrón en cualquier zona dentro del núcleo atómico. Estas funciones pueden servir como gráficas tridimensionales de la localización más probable del electrón. El término puede referirse directamente a la región física definida por dicha función. Específicamente los orbitales atómicos son los posibles estados cuánticos de un electrón individual en el grupo de átomos alrededor de un único átomo.

A pesar de la obvia analogía de planetas alrededor de un sol, los electrones no pueden ser descritos como partícula sólidas y además raramente los orbitales atómicos se parecen a la trayectorias elípticas de los palnetas. Una comparación más acertada puede ser la de una extensa aunque de extraña forma atmósfera (el electrón), distribuída alrededor de un relativo pequeño planeta (el núcleo atómico). Los orbitales atómicos describen exactamente la forma de esta atmósfera solamente cuando un único electrón está presente en eñ átomo. Cuando se añaden más electrones, éstos tienden a rellenar un volumen en el espacio cerca del núcleo de forma que el grupo resultante (en ocasiones llamado "nube electrónica") pasa a adquirir una forma más o menos esférica, describiendo la zona de probabilidad donde los electrones pueden ser encontrados.

Los orbitales atómicos más simples son aquellos en un átomo con un electrón, como en el átomo de hidrógeno. Un átomo de cualquier otro elemento ionizado hasta quedarse con un electrón es muy similar al hidrógeno, y los orbitaels toman la misma forma (de ahí que reciban el nombre de átomos/orbitales hidrogenoides).

Para átomos con dos o más electrones, las equaciones pertinentes solamente pueden ser resueltas con métodos iterativos. Sin embargo, los orbitales de átomos multielectrónicos son qualitativamente similares a los del hidrógeno, y en los modelos más simples, se suponen con la misma forma. Para análisis más rigurosos y precisos se deben usar las aproximaciones numéricas.

Un orbital atómico (hidrogenoide) se identifica con unos valores de tres números cuánticos: n, l y ml. Las reglas de restricción de los valores adquiridos por los números cuánticos y sus energías explican la configuración electrónica de los átomos en la tabla periódica.

n puede tomar cualquier valor entero positivo, aunque a mayor número representa mayor energía y mayor inestabilidad. l puede tomar valores desde 0 hasta n-1, este número cuántico determina la forma del orbital: l=0 se representa como "s" y son orbitales de forma esférica, l=1 se representa por "p" s son orbitales con dos lóbulos, l=2 se representa por "d", l=3 se representa por "f" y a partir de l=4, "g" ya sigue orden de nomenclatura alfabético. El número cuántico ml va desde -l hasta +l pasando por 0 y en unidades enteras. Además existe el número cuántico ms, que para los electrones puede ser 1/2 o -1/2, que determina su estado de espín. No puede haber dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales.

El número cuántico n apareció por primera vez en el modelo atómico de Bohr. Determina, entre otras cosas, las distancia del electrón al núcleo; todos los electrones con el mismo valor de n están a paroximadamente la misma distancia. La mecánica cuántica moderna confirma que estos orbitales esán íntimamente relacionados. Por esta razón, los orbitales con el mismo valor de n se dice que forman una "capa". Los orbitales con el mismo valor de n y el mismo valor de l están todavía más ligados, y se dice que forman una "subcapa".


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Orbitales








Orbitales según el valor de los números cuánticos

  • Si n = 1 entonces el número cuantico l sólo puede tomar el valor 0 es decir sólo es posible encontrar un orbital en el primer nivel energético en el que puede haber hasta dos electrones (uno con spin +1/2 y otro con spin -1/2). Este orbital, de apariencia esférica, recibe el nombre de 1s:
  • Si n = 2 , el número l puede tomar los valores 0 y 1, es decir son posibles los tipos de orbitales s y p. En el caso de que sea l = 0, tenemos el orbital llamado 2s en el que caben dos electrones (uno con spin +1/2 y otro con spin -1/2):
  • Si l = 1 tendremos orbitales del tipo p de los que habrá tres diferentes según indicarían los tres valores (+1, 0, -1) posibles del número cuántico m, pudiendo albergar un máximo de dos electrones cada uno, con valores de spin +1/2 y -1/2, es decir seis electrones como máximo:
  • Si n = 3 son posibles tres valores del número cuántico l: 0,1 y 2. Si l = 0 tendremos de nuevo un orbital del tipo s:

Tipos de orbitales

En cuanto a la forma de los orbitales, se usan las formas de la parte angular dando por hecho los nodos radiales que siempre tendrán forma esférica:

Orbital s

El orbital s, tiene forma esférica alrededor del núcleo del átomo. Hay varias formas de representarlos, como por ejemplo, a modo de nube electrónica, donde la probabilidad de encontrar a un electrón se representa con mayor densias de puntos. O también representando el volumen circular donde probablemente el electrón pasa mayor cantidad de tiempo.

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Orbital S







Orbital p

Los orbitales p, tienen una geometría de dos esferas unidas por un punto, y achatadas por la unión de ambas. Estas esferas se encuentran orientadas según los ejes de coordenadas. Este orbital expresa también la energía que tiene un electrón.

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Orbital P






Orbital d

Los orbitales d, tienen diferentes formas. Tienen formas lobulares con signos alternados o un doble lóbulo con un anillo que los rodea.


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Orbital D






Orbital f

Estos orbitales tienen formas bastante diversas, que vienen de añadir un plano nodal a las formas de los orbitales d.




Enlaces externos

Fuente

1- LAIDLER. "Cinética de reacciones". Vol. 1 y 2. Editorial Alhambra.

2.- LEVINE, BERNSTEIN. "Molecular reaction dynarnics and chemical reactivity", Editorial Oxford University Press.

3.- GONZALEZ UREÑA. "Cinética y dinámica molecular de las reacciones químicas elementales. Editorial Albambra.

4.- LEVINE. "Fisicoquírnica". Vol. 2, capítulos 17 y 23. Editorial McGraw Hill.

5.- AVERY. "Cinética química básica y mecanismos de reacción". Editorial Reverté.

6.- SENENT PEREZ. "Química Física H". Vol 1, 2 y 3. Editorial UNED.