Door Richard Gaughan Bijgewerkt op 30 augustus 2022

twilightproductions/iStock/GettyImages

Atomen bestaan uit een zware kern omgeven door lichte elektronen. De kwantummechanica dicteert dat elektronen verschillende gebieden bezetten die orbitalen worden genoemd. Omdat chemische interacties voornamelijk plaatsvinden via de buitenste elektronen, is de vorm van deze orbitalen cruciaal om te begrijpen hoe atomen zich binden en zich gedragen.

Kwantumgetallen en orbitalen

Natuurkundigen beschrijven de toestand van een elektron met een reeks gehele kwantumgetallen. Het hoofdkwantumgetal n heeft betrekking op energie, terwijl het orbitale kwantumgetal l en het magnetische kwantumgetal m bepaal de geometrie en oriëntatie van de orbitaal. Er bestaan ​​nog meer kwantumgetallen, maar deze hebben geen directe invloed op de orbitale vorm. Orbitalen vertegenwoordigen waarschijnlijkheidswolken (geen letterlijke elektronenpaden) rond de kern.

S-orbitalen

Voor elke waarde van n , is er één orbitaal waar beide l en m gelijk aan nul. Dit zijn bolvormige schelpen, die in omvang groter worden als n neemt toe. De s-orbitaal is het enige type dat bestaat voor de grondtoestand (n=1) en komt voor op elk hoofdenergieniveau. Hoewel de elektronendichtheid nabij de kern hoger is, is de bol feitelijk genest als concentrische schillen.

P-orbitalen

Wanneer n groter is dan één, ontstaan er extra orbitale typen. Voor l gelijk is aan één, wordt de orbitaal een p-orbitaal genoemd. Deze lijken op halters. Elke l waarde staat m toe variëren van –l naar +l in stappen van gehele getallen, wat drie p-orbitalen oplevert op elk niveau boven n=1:één georiënteerd langs de z-as (m=0) en twee orthogonaal in het x-y-vlak (m=±1). P-orbitalen verschijnen in alle belangrijke energieniveaus boven de eerste, met subtiele structurele veranderingen als n groeit.

D-orbitalen

Bij n=3, l kan 2 zijn, wat aanleiding geeft tot d-orbitalen. Er zijn vijf verschillende d-orbitalen die overeenkomen met m =–2, –1, 0, 1, 2. De m=0 d-orbitaal lijkt op een halter met een ringkern “donut” in het midden, terwijl de andere vier lijken op vier lobben die in een vierkante piramide zijn gerangschikt, elk anders georiënteerd. D-orbitalen zijn aanwezig wanneer het hoofdkwantumgetal minstens drie is.

F-orbitalen

Voor n=4, l is gelijk aan 3, wat f-orbitalen oplevert. Dit zijn de meest complexe en moeilijk te visualiseren. De m=0, ±1 orbitalen lijken op halters met twee toroïdale ringen die de centrale balk flankeren, terwijl de overige m-waarden vormen produceren die lijken op bundels van acht ballonnen die aan elkaar zijn vastgebonden in een centrale knoop. F-orbitalen komen beschikbaar op alle energieniveaus waarbij n vier of groter is.

Visualisaties

De wiskunde achter elektronenorbitalen is ingewikkeld, maar talloze online tools geven deze vormen grafisch weer. Dergelijke visualisaties zijn van onschatbare waarde om te begrijpen hoe elektronen zich rond een kern verdelen.