Orbitales Atómicos
En 1.927 pudo comprobarse experimentalmente la
hipótesis de De Broglie al observarse un comportamiento ondulatorio
de los electrones en los fenómenos de difracción.
Un electrón que se mueve alrededor
de núcleo puede considerarse ligado a él y podemos describir su
movimiento ondulatorio mediante la ecuación de ondas.
Con esta idea, Schrödinger realizó un
estudio matemático del comportamiento del electrón
en el átomo y obtuvo una expresión, conocida como
ecuación de Schrödinger.
Podemos decir que un orbital
atómico es una zona del espacio donde existe una alta probabilidad
(superior al 90%) de encontrar al electrón.
Esto supone considerar al electrón como una nube difusa
de carga alrededor del núcleo con mayor densidad en las
zonas donde la probabilidad de que se encuentre dicho electrón
es mayor.
Para que la ecuación de Schrödinger
tenga significado físico es necesario imponerle unas restricciones
que son conocidas como números cuánticos, que se simbolizan
de la misma forma que los obtenidos en el modelo atómico de Bohr:
Números
cuánticos |
n: |
número cuántico principal |
l: |
número cuántico del momento
angular orbital |
m: |
número cuántico magnético
|
s: |
número cuántico del spin
electrónico. |
Estos números cuánticos sólo pueden tomar ciertos valores permitidos:
Valores
permitidos |
para n: |
números enteros 1, 2, 3,. |
para l: |
números enteros desde 0 hasta (n-1) |
para m: |
todos los números enteros entre +l y -l incluido
el 0 |
para s: |
sólo los números fraccionarios -1/2 y +1/2 |
Los valores del número cuántico n
indican el tamaño del orbital, es decir su cercanía al núcleo.
Los valores del número cuántico l
definen el tipo de orbital:
• Si l= 0 el orbital es del tipo s
• Si l= 1 los
orbitales son del tipo p
• Si l = 2 los
orbitales son del tipo d
• Si l= 3 los
orbitales son del tipo f
Las letras s, p,
d, f identificativas de los tipos de orbitales proceden
de los nombres que recibieron los distintos grupos de líneas
espectrales relacionadas con cada uno de los orbitales:
• sharp : líneas
nítidas pero de poca intensidad
• principal : líneas
intensas
• difuse : líneas
difusas
• fundamental
: líneas frecuentes en muchos espectros
Son posibles otros tipos
de orbitales como g, h, ...pero los elementos que conocemos,
en sus estado fundamental, no presentan electrones que cumplan
las condiciones cuánticas necesarias para que se den estos otros
tipos de orbitales.
Los valores del número cuántico
m hacen referencia
a la orientación espacial del orbital.
El cuarto número cuántico, s,
que define a un electrón en un átomo hace referencia al momento
angular de giro del mismo.
El conjunto de los cuatro
números cuánticos definen a un electrón, no pudiendo existir en
un mismo átomo dos electrones con los cuatro números cuánticos
iguales, por lo que una vez definido el tamaño, el tipo y la orientación
de un orbital 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 dicha
situación que necesariamente tendrán valores diferentes de su
número cuántico de spin.
Veamos los orbitales posibles según el valor de
los números cuánticos:
Si n
= 1 entonces el número cuantico l sólo
puede tomar el valor 0 es decir sólo es posible encontrar un orbital
en el primer nivel energético en el que puede haber hasta dos
electrones (uno con spin +1/2 y otro con spin -1/2). Este orbital,
de apariencia esférica, recibe el nombre de 1s:
Si n
= 2 , el número l puede tomar los valores
0 y 1, es decir son posibles los tipos de orbitales s y
p. En el caso de que sea l =
0, tenemos el orbital llamado 2s en el que caben dos electrones
(uno con spin +1/2 y otro con spin -1/2):
Si l = 1 tendremos orbitales del tipo p de los que habrá
tres diferentes según indicarían los tres valores (+1, 0, -1)
posibles del número cuántico m, pudiendo
albergar un máximo de dos electrones cada uno, con valores de
spin +1/2 y -1/2, es decir seis electrones como máximo:
Si n
= 3 son posibles tres valores del número cuántico l:
0,1 y 2. Si l = 0 tendremos de nuevo
un orbital del tipo s:
si
l = 1 tendremos
los tres orbitales del tipo
p:
y si l = 2 los orbitales serán del tipo d, de los que habrá
cinco diferentes según indican los cinco valores posibles (+2,
+1, 0, -1, -2) para el número cuántico m
y que podrán albergar un total de diez electrones:
Si n = 4, son posibles
cuatro tipos de orbitales diferentes:
De tipo s (para l
= 0):
De tipo
p (para
l
= 1):
De tipo
d (para
l = 2):
De tipo f (para
l = 3) de los que habrá siete diferentes
según indican los siete valores posibles (+3, +2, +1, 0 -1, -2,
-3) del número cuántico m, que podrán albergar un total
de catorce electrones: