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Orbitales atómicos

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Orbitales atómicos
Las órbitas atómicas son aquellas regiones del átomo definidas por una función de onda para los electrones. Las funciones de onda son expresiones matemáticas obtenidas a partir de la resolución de la ecuación de Schrödinger. Describen el estado de energía de uno o más electrones en el espacio, así como la probabilidad de encontrarlo.

Orbitales atómicos

Este concepto físico, aplicado por los químicos a la comprensión del vínculo y la tabla periódica, considera al electrón como una onda y una partícula al mismo tiempo. Por lo tanto, la imagen del sistema solar, donde los electrones son planetas que giran en órbitas alrededor del núcleo o del sol, es descartada.

Esta visualización anticuada es práctica para ilustrar los niveles de energía del átomo. Por ejemplo: un círculo rodeado de anillos concéntricos que representan las órbitas, y sus electrones estáticos. De hecho, esta es la imagen con la que se presenta el átomo a los niños y jóvenes.

Sin embargo, la estructura atómica real es demasiado compleja para tener una imagen aproximada de ella.

Considerando entonces el electrón como una onda-partícula, y resolviendo la ecuación diferencial de Schrödinger para el átomo de hidrógeno (el sistema más simple de todos), se obtuvieron los famosos números cuánticos.

Estos números indican que los electrones no pueden ocupar ningún lugar en el átomo, sino sólo aquellos que obedecen a un nivel de energía discreto y cuantificado. La expresión matemática de esto se conoce como función de onda.

Así, a partir del átomo de hidrógeno, se estimó una serie de estados de energía gobernados por números cuánticos. Estos estados de energía se llamaron orbitales atómicos.

Pero, estos sólo describían el paradero de un electrón en un átomo de hidrógeno. Para otros átomos, la polelectrónica, a partir del helio, se hizo una aproximación orbital. ¿Por qué? Porque resolver la ecuación de Schrödinger para los átomos con dos o más electrones es muy complicado (incluso con la tecnología actual).

¿Qué son los orbitales atómicos?

Los orbitales atómicos son funciones de onda que consisten en dos componentes: uno radial y otro angular. Esta expresión matemática se escribe como:

Ψnlml =Rnl(r)-Ylml(θϕ)

Aunque pueda parecer complicado al principio, tenga en cuenta que los números cuánticos n, l y ml se indican en letras pequeñas. Esto significa que estos tres números describen la órbita. Rnl(r), más conocida como la función radial, depende de n y l; mientras que Ylml(θϕ), la función angular, depende de l y ml.

También en la ecuación matemática están las variables r, distancia al núcleo, y θ y ϕ. El resultado de todo este conjunto de ecuaciones es una representación física de los orbitales. ¿Cuál de ellas? La que se muestra en la imagen de arriba. Allí se muestran una serie de orbitales que se explicarán en las siguientes secciones.

Sus formas y diseños (no los colores) provienen de la representación en el espacio de las funciones de onda y sus componentes radiales y angulares.

Función de onda radial

Como se ve en la ecuación, Rnl(r) depende tanto de n como de l. Por lo tanto, la función de las ondas de radio se describe por el nivel de energía principal y sus subniveles.

Si pudiéramos tomar una foto del electrón sin considerar su dirección, veríamos un punto infinitamente pequeño. Entonces, tomando millones de fotos, se podría detallar cómo cambia la nube de puntos en función de la distancia al núcleo.

De esta manera, se puede comparar la densidad de la nube en la distancia y cerca del núcleo. Si se repitiera la misma operación pero con un nivel o subnivel de energía diferente, se formaría otra nube que encerrara a la anterior. Entre ambas hay un pequeño espacio donde el electrón nunca se encuentra; esto es lo que se conoce como nodo radial.

Asimismo, en las nubes hay regiones con mayor y menor densidad electrónica. A medida que se hacen más grandes y se alejan del núcleo, tienen más nodos radiales; y también, una distancia r donde el electrón vaga con más frecuencia y es más probable que se encuentre.

Función de la onda angular

Una vez más, de la ecuación se sabe que Ylml(θϕ) se describe principalmente por los números cuánticos l y ml. Esta vez participa en el número cuántico magnético, por lo que se define la dirección del electrón en el espacio; y esta dirección puede trazarse a partir de las ecuaciones matemáticas que implican las variables θ y ϕ.

Ahora, no procedemos a tomar fotografías, sino a grabar un vídeo de la trayectoria del electrón en el átomo. A diferencia del experimento anterior, no se sabe exactamente dónde se encuentra el electrón, sino hacia dónde va.

A medida que se mueve, el electrón describe una nube más definida; de hecho, una figura esférica, o una con lóbulos, como los que se ven en la imagen. El tipo de figura y su dirección en el espacio se describen por l y ml.

Hay regiones, cerca del núcleo, donde el electrón no transita y la figura desaparece. Tales regiones se conocen como nodos angulares.

Por ejemplo, si se observa el primer orbital, que es esférico, se llega rápidamente a la conclusión de que es simétrico en todas las direcciones; sin embargo, no ocurre lo mismo con los demás orbitales, cuyas formas revelan el espacio vacío. Esto se puede ver en el origen del plano cartesiano, y en los planos imaginarios entre los lóbulos.