Orbitales f

Orbitales

Una órbita atómica es una función matemática que describe el comportamiento ondulatorio tanto de un electrón como de un parásito en un átomo. Como funciones matemáticas, se pueden utilizar en combinaciones lineales (es decir, se pueden sumar y restar). Esta función puede utilizarse para calcular la probabilidad de encontrar el electrón en cualquier área dentro del núcleo atómico. Estas funciones pueden servir como gráficos tridimensionales de la ubicación más probable del electrón.

El término puede referirse directamente a la región física definida por esa función. Específicamente, las órbitas atómicas son los posibles estados cuánticos de un electrón individual en el grupo de átomos alrededor de un solo átomo.

A pesar de la obvia analogía de los planetas alrededor de un sol, los electrones no pueden ser descritos como partículas sólidas, y además los orbitales atómicos raramente se parecen a las trayectorias elípticas de los paletas.

Una comparación más precisa puede ser la de una atmósfera grande pero de forma extraña (el electrón), distribuida alrededor de un planeta relativamente pequeño (el núcleo atómico). Las órbitas atómicas describen exactamente la forma de esta atmósfera sólo cuando un solo electrón está presente en el átomo.

Cuando se añaden más electrones, tienden a llenar un volumen en el espacio cerca del núcleo, de manera que el grupo resultante (a veces llamado «nube de electrones») adquiere una forma más o menos esférica, describiendo la zona de probabilidad en la que se pueden encontrar los electrones.

Las órbitas atómicas más sencillas son las de un átomo con un electrón, como en el átomo de hidrógeno. Un átomo de cualquier otro elemento ionizado a un electrón es muy similar al hidrógeno, y los orbitales tienen la misma forma (de ahí el nombre de átomos/orbitales de hidrógeno).

En el caso de los átomos con dos o más electrones, las ecuaciones pertinentes sólo pueden resolverse por métodos iterativos. Sin embargo, los orbitales de los átomos de multielectrones son cualitativamente similares a los del hidrógeno y, en modelos más sencillos, se supone que tienen la misma forma. Para un análisis más riguroso y preciso, deben utilizarse aproximaciones numéricas.

Un orbital atómico (hidrógeno) se identifica por los valores de tres números cuánticos: n, l y ml. Las reglas para restringir 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 el número mayor representa más energía y más inestabilidad. l puede tomar valores de 0 a n-1, este número cuántico determina la forma del orbital: l=0 se representa como «s» y son orbitales esféricos, l=1 se representa como «p» s son orbitales bilobulados, l=2 se representa como «d», l=3 se representa como «f» y a partir de l=4, «g» ya sigue el orden de la nomenclatura alfabética. El número cuántico ml va desde -l a +l hasta 0 y en unidades enteras. También está 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, la distancia del electrón al núcleo; todos los electrones con el mismo valor de n están a una distancia paroxísticamente igual.

La mecánica cuántica moderna confirma que estas órbitas están íntimamente relacionadas. Por esta razón, se dice que los orbitales con el mismo valor de n forman una «cáscara». Los orbitales con el mismo valor de n y el mismo valor de l están aún más unidos, y se dice que forman una «subcapa».

Orbital f

Esto significa considerar al electrón como una nube difusa de carga alrededor del núcleo con mayor densidad en las zonas donde la probabilidad de encontrar ese electrón es mayor. Para que la ecuación de Schrödinger tenga un significado físico, es necesario imponerle restricciones que se conocen como números cuánticos, que se simbolizan de la misma manera que los obtenidos en el modelo atómico de Bohr:

• Los números cuánticos
• n:número cuántico principal
• l:número cuántico del momento angular orbital
• m:número cuántico magnético
• s:número cuántico del giro electrónico.

Estos números cuánticos sólo pueden tomar ciertos valores permitidos:

Valores permitidos

• n: números enteros 1, 2, 3,.
• l: números enteros de 0 a (n-1)
• m: todos los números enteros entre +l y -l incluyendo el 0
• s: sólo los números fraccionarios -1/2 y +1/2

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

• Si l= 0 la órbita es de tipo s
• Si l= 1 los orbitales son del tipo p
• Si l = 2 los orbitales son de tipo d
• Si l= 3 los orbitales son de tipo f

Las letras s, p, d, f que identifican los tipos de orbitales provienen de los nombres dados a los diferentes grupos de líneas espectrales relacionados con cada uno de los orbitales:

• sharp : líneas claras pero de baja intensidad
• principal : líneas intensas
• difuso: líneas difusas
• fundamental: líneas frecuentes en muchos espectros

Otros tipos de orbitales como g, h, … son posibles, pero los elementos que conocemos, en su estado fundamental, no presentan electrones que reúnan las condiciones cuánticas necesarias para que se produzcan estos otros tipos de orbitales. Los valores del número cuántico m se refieren a la orientación espacial de la órbita.

El cuarto número cuántico, s, que define un electrón en un átomo, se refiere al momento angular de su rotación. El conjunto de los cuatro números cuánticos define un electrón.

No pueden existir dos electrones en el mismo átomo con los cuatro números cuánticos iguales, por lo que una vez que el tamaño, tipo y orientación de una órbita se ha definido 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 esta situación que necesariamente tendrán valores diferentes de su número cuántico de espín.

Cuántos tipos de orbitales existen

En cuanto a la forma de los orbitales, se utilizan las formas de la parte angular asumiendo que los nodos radiales siempre tendrán forma esférica:

• Orbital s
  La órbita s, tiene una forma esférica alrededor del núcleo del átomo. Hay varias formas de representarlas, como una nube electrónica, donde la probabilidad de encontrar un electrón está representada por densidades de puntos más altas. O también representando el volumen circular donde el electrón probablemente pasa más tiempo.
• Orbital p
  Los orbitales p, tienen una geometría de dos esferas unidas por un punto, y aplanadas por la unión de ambas. Estas esferas están orientadas según los ejes de coordenadas. Este orbital también expresa la energía que tiene un electrón.
• Orbital d
  Los orbitales d, tienen diferentes formas. Tienen formas de lóbulos con signos alternados o un lóbulo doble con un anillo alrededor.
• Orbital f
  Estos orbitales tienen formas bastante diferentes, que provienen de la adición de un plano nodal a las formas de los orbitales d.