Inhoud
Atomen bestaan uit een zware kern omringd door lichte elektronen. Het gedrag van de elektronen wordt bepaald door de regels van de kwantummechanica. Die regels staan elektronen toe om specifieke gebieden te bezetten die orbitalen worden genoemd. De interacties van atomen verlopen bijna uitsluitend via hun buitenste elektronen, dus de vorm van die orbitalen wordt erg belangrijk. Wanneer atomen bijvoorbeeld naast elkaar worden gebracht en hun buitenste orbitalen elkaar overlappen, kunnen ze een sterke chemische binding vormen; dus enige kennis van de vorm van de orbitalen is belangrijk voor het begrijpen van atomaire interacties.
Kwantumnummers en orbitalen
Natuurkundigen hebben het handig gevonden om stenografie te gebruiken om de eigenschappen van elektronen in een atoom te beschrijven. De afkorting is in termen van kwantumgetallen; 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 hoekmomentumkwantumgetal, m. Er zijn andere kwantumgetallen, maar ze 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 Orbitalen
Voor elke waarde van n is er een baan waarbij zowel l als m gelijk zijn aan nul. Die orbitalen zijn bollen. Hoe hoger de waarde van n, hoe groter de bol - dat wil zeggen, hoe waarschijnlijker het is dat het elektron verder van de kern zal worden gevonden. De sferen zijn niet overal even dicht; ze lijken meer op geneste schelpen. Om historische redenen wordt dit een orbitaal genoemd. Vanwege de regels van de kwantummechanica moeten de elektronen met de laagste energie, met n = 1, zowel l als m gelijk zijn aan nul, dus het enige orbitaal dat bestaat voor n = 1 is het s orbitaal. De s orbitaal bestaat ook voor elke andere waarde van n.
P Orbitalen
Wanneer n groter is dan één, ontstaan er meer mogelijkheden. L, het orbitale kwantumnummer, kan elke waarde tot n-1 hebben. Als l gelijk is aan één, wordt de baan een p-baan genoemd. P-orbitalen zien eruit als halters. Voor elke l gaat m van positieve naar negatieve 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 halter op en neer, een andere met de halter van links naar rechts en een andere met de halter loodrecht op beide anderen. P orbitalen bestaan voor alle hoofdkwantumgetallen groter dan één, hoewel ze een extra structuur hebben naarmate n hoger wordt.
D Orbitalen
Wanneer n = 3, dan kan l gelijk zijn aan 2, en wanneer l = 2, kan m gelijk zijn aan 2, 1, 0, -1 en -2. De l = 2 orbitalen worden d orbitalen genoemd, en er zijn vijf verschillende die overeenkomen met de verschillende waarden van m. De n = 3, l = 2, m = 0 orbitaal ziet er ook uit als een halter, maar met een donut rond het midden. De andere vier d orbitalen zien eruit als vier eieren op elkaar gestapeld in een vierkant patroon. 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 halter. De andere m-waarden zien eruit als een bundel van acht ballonnen, met al hun knopen in het midden aan elkaar gebonden.
visualisaties
De wiskunde van de elektronenorbitalen is behoorlijk complex, 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.