Innehåll
Atomer består av en tung kärna omgiven av lätta elektroner. Elektronernas beteende styrs av kvantmekanikens regler. Dessa regler tillåter elektroner att ockupera specifika regioner som kallas orbitaler. Atomernas växelverkan sker nästan uteslutande genom deras yttersta elektroner, så formen på dessa orbitaler blir mycket viktig. Till exempel, när atomer bringas bredvid varandra, om deras yttersta orbitaler överlappar varandra, kan de skapa en stark kemisk bindning; så viss kunskap om orbitalernas form är viktig för att förstå atomiska interaktioner.
Kvantnummer och orbitaler
Fysiker har tyckt att det är bekvämt att använda kortfattat för att beskriva egenskaperna hos elektroner i en atom. Kortfattningen är i termer av kvantantal; dessa nummer kan endast vara hela siffror, inte bråk. Det huvudsakliga kvantantalet, n, är relaterat till elektronens energi; så finns det det orbitala kvanttalet, l, och det vinkelmomentiska kvanttalet, m. Det finns andra kvantantal, men de är inte direkt relaterade till formen på orbitalerna. Orbitaler är inte banor, i den meningen att de är banor runt kärnan; istället representerar de positionerna där elektronen troligtvis hittas.
S Orbitaler
För varje värde på n finns det en omloppsbana där både l och m är lika med noll. Dessa orbitaler är sfärer. Ju högre värde på n, desto större är sfären - det vill säga desto mer troligt är det att elektronen kommer att hittas längre från kärnan. Sfärerna är inte lika täta i hela; de är mer som kapslade skal. Av historiska skäl kallas detta för ett orbital. På grund av kvantmekanikens regler måste de lägsta energielektronerna, med n = 1, ha både l och m lika med noll, så den enda orbital som finns för n = 1 är s orbitalen. Orbitalet finns också för alla andra värden på n.
P Orbitaler
När n är större än en öppnas fler möjligheter. L, det orbitala kvantantalet, kan ha valfritt värde upp till n-1. När jag är lika med en, kallas banan en p orbital. P orbitaler ser ut som hantlar. För varje l går m från positivt till negativt l i steg av ett. Så för n = 2, kan l = 1, m vara lika med 1, 0 eller -1. Det betyder att det finns tre versioner av p-banan: en med hanteln upp och ner, en annan med hanteln vänster till höger och en med hanteln i rät vinkel mot båda de andra. P-orbitaler finns för alla huvudkvantantal större än ett, även om de har ytterligare struktur när n blir högre.
D Orbitaler
När n = 3, då kan l vara lika med 2, och när l = 2, kan m vara lika med 2, 1, 0, -1 och -2. L = 2 orbitaler kallas d orbital, och det finns fem olika som motsvarar de olika värdena på m. N = 3, l = 2, m = 0 orbital ser också ut som en hantel, men med en munk runt mitten. De andra fyra d-orbitalerna ser ut som fyra ägg staplade i änden i ett kvadratiskt mönster. De olika versionerna har bara äggen som pekar i olika riktningar.
F Orbitaler
N = 4, l = 3 orbitaler kallas f orbitaler, och de är svåra att beskriva. De har flera komplexa funktioner. Till exempel är n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; och m = -1 orbital är formade som hantlar igen, men nu med två munkar mellan ändarna på skivstången. De andra m-värdena ser ut som ett bunt med åtta ballonger, med alla sina knutar bundna i mitten.
visualiseringar
Matematiken för elektroniska orbitaler är ganska komplicerad, men det finns många resurser online som ger grafiska insikter om de olika orbitalerna. Dessa verktyg är till stor hjälp för att visualisera beteendet hos elektroner runt atomer.