Atomen zijn samengesteld uit een zware kern omringd door lichtelektronen. Het gedrag van de elektronen wordt bepaald door de regels van de kwantummechanica. Die regels maken het mogelijk dat elektronen specifieke gebieden bezetten die orbitalen worden genoemd. De interacties van atomen zijn bijna uitsluitend via hun buitenste elektronen, dus de vorm van die orbitalen wordt erg belangrijk. Wanneer bijvoorbeeld atomen naast elkaar worden gebracht, als hun buitenste orbitalen elkaar overlappen, kunnen ze een sterke chemische binding creëren; dus enige kennis van de vorm van de orbitalen is belangrijk voor het begrijpen van atomaire interacties.

Quantumnummers en banenoriëntatie

Natuurkundigen hebben gevonden dat het handig is om stenografie te gebruiken om de karakteristieken van elektronen in een atoom te beschrijven. De steno is in termen van kwantumnummers; deze getallen kunnen alleen hele getallen zijn, geen breuken. Het belangrijkste kwantumgetal, n, is gerelateerd aan de energie van het elektron; dan is er het orbitale kwantumgetal, l, en het kwantumgetal van de impulsmoment, m. Er zijn andere quantumnummers, maar deze zijn niet direct gerelateerd aan de vorm van de orbitalen. Orbitalen zijn geen banen, in de zin van paden rond de kern; in plaats daarvan vertegenwoordigen ze de posities waar het elektron het meest waarschijnlijk wordt gevonden.

S Orbitals

Voor elke waarde van n is er één omloopbaan waar zowel l als m gelijk zijn aan nul. Die orbitalen zijn sferen. Hoe hoger de waarde van n, hoe groter de bol, dwz hoe waarschijnlijker het is dat het elektron verder van de kern wordt gevonden. De bollen zijn niet overal even dicht; ze lijken meer op geneste schelpen. Om historische redenen wordt dit een s-orbitaal genoemd. Vanwege de regels van de kwantummechanica, moeten de elektronen met de laagste energie, met n = 1, zowel l als m gelijk aan nul hebben, dus de enige orbitaal die bestaat voor n = 1 is de s orbitaal. De s-orbitaal bestaat ook voor elke andere waarde van n.

P Orbitalen

Als n groter is dan één, openen er meer mogelijkheden. L, het orbitale kwantumnummer, kan elke waarde tot n-1 hebben. Als ik er één is, wordt de baan een p-orbitaal genoemd. P-orbitalen zien er een beetje uit als halters. Voor elke l gaat m van positief naar negatief l in stappen van één. Dus voor n = 2, l = 1, kan m gelijk zijn aan 1, 0 of -1. Dat betekent dat er drie versies van de p-orbitaal zijn: een met de dumbbell op en neer, een andere met de dumbbell van links naar rechts en een andere met de dumbbell haaks op beide anderen. P orbitalen bestaan ​​voor alle hoofdkwantumnummers groter dan één, hoewel ze een extra structuur hebben als n hoger wordt.

D Orbitalen voor

Als n = 3, dan kan ik gelijk zijn aan 2, en wanneer ik = 2, m kan gelijk zijn aan 2, 1, 0, -1 en -2. De l = 2 orbitalen worden d orbitalen genoemd en er zijn vijf verschillende orbitalen die overeenkomen met de verschillende waarden van m. De n = 3, l = 2, m = 0 orbitaal lijkt ook op een halter, maar met een donut rond het midden. De andere vier d-orbitalen zien eruit als vier eieren die in een vierkant patroon op elkaar zijn gestapeld. De verschillende versies hebben alleen de eieren die in verschillende richtingen wijzen.

F Orbitalen

De n = 4, l = 3 orbitalen worden f orbitalen genoemd en zijn moeilijk te beschrijven. Ze hebben meerdere complexe functies. Bijvoorbeeld, de n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; en m = -1 orbitalen hebben weer de vorm van halters, maar nu met twee donuts tussen de uiteinden van de barbell. De andere m-waarden zien eruit als een bundel van acht ballonnen, met al hun knopen in het midden samengebonden.

Visualisaties

De wiskunde die de elektron-orbitalen beheerst, is behoorlijk ingewikkeld, maar er zijn veel online bronnen die grafische realisaties van de verschillende orbitalen bieden. Die hulpmiddelen zijn zeer nuttig bij het visualiseren van het gedrag van elektronen rond atomen.