Orbitali atomici

Un orbitale atomico rappresenta le regioni tridimensionali di un atomo in cui un elettrone ha la più alta probabilità di risiedere. La funzione di distribuzione radiale indica la probabilità totale di trovare un elettrone all'interno del guscio sottile ad una distanza r dal nucleo. Gli orbitali atomici hanno forme distinte determinate da l, il numero quantico del momento angolare. Gli orbitali sono spesso disegnati con una superficie di confine, che racchiude le regioni più dense della nuvola.

Il numero quantico del momento angolare è un numero intero che può assumere i valori l = 0, 1, 2, …, n – 1. Un orbitale con un numero quantico principale pari a 1 (n = 1) può avere un solo valore di l ( l = 0), mentre un numero quantico principale pari a 2 (n = 2) consente l = 0 e l = 1. Orbitali con lo stesso valore di l definiscono una sottozona.

Gli orbitali con l = 0 sono chiamati orbitali s e costituiscono i sottogusci s. Il valore l = 1 corrisponde agli orbitali p. Per un dato n, gli orbitali p costituiscono una sottozona p (cioè 3p se n = 3). Gli orbitali con l = 2 sono chiamati orbitali d. Gli orbitali con l = 3, 4 e 5 sono gli orbitali f, g e h.

L'orbitale con l'energia più bassa è l'orbitale 1s. Questo è un orbitale sfericamente simmetrico. La densità di probabilità (ψ_2) di un orbitale 1s implica che è più probabile che l'elettrone si trovi nel nucleo. Tuttavia, date le forze elettrostatiche tra protoni ed elettroni, ciò non rappresenta accuratamente dove risiederà l’elettrone. Viene invece utilizzata la funzione di distribuzione radiale, che è un grafico della probabilità totale di trovare un elettrone in un orbitale con un dato raggio r. La funzione di distribuzione radiale si trova moltiplicando la densità di probabilità per il volume di gusci sferici sottili con raggi, r. Per l'orbitale 1s dell'idrogeno, la funzione di distribuzione radiale ha un valore zero al nucleo, che aumenta fino a un massimo a 52,9 picometri prima di diminuire all'aumentare di r.

Ci sono certe distanze dal nucleo alle quali la densità di probabilità di trovare un elettrone situato su un particolare orbitale è zero. In altre parole, il valore della funzione d'onda ψ è zero a questa distanza per questo orbitale. Un tale valore di r è chiamato nodo radiale. Il numero di nodi radiali in un orbitale è n – l – 1. Per gli orbitali 2s, dove n = 1, c'è un nodo radiale, mentre gli orbitali 3s hanno due nodi radiali.

Ogni livello principale con n = 2 o più contiene tre orbitali p. I tre orbitali p hanno due lobi con un nodo situato nel nucleo. L'orientamento degli orbitali p nello spazio è descritto dal valore di ml. I tre orbitali p sono reciprocamente perpendicolari (ortogonali) tra loro. Gli orbitali p più alti (3p, 4p, 5p e superiori) hanno forme simili ma sono di dimensioni maggiori con nodi radiali aggiuntivi.

I livelli principali con n = 3 o più contengono cinque orbitali d. Quattro di questi orbitali sono costituiti da una forma a quadrifoglio, con quattro lobi densi di elettroni. Ci sono due piani nodali perpendicolari che si intersecano nel nucleo. In questi piani nodali la densità elettronica è zero. Uno degli orbitali d ha una forma leggermente diversa e ha due lobi orientati sull'asse z con un anello a forma di ciambella sul piano xy. I livelli principali con n = 4 e superiori contengono sette orbitali f, che hanno forme complesse. Questi orbitali hanno più nodi e lobi degli orbitali d.

Figura 1: orbitali rappresentativi s, p, d e f.

Queste diverse forme degli orbitali atomici rappresentano le regioni tridimensionali all'interno delle quali è probabile che si trovi l'elettrone. Tutti gli orbitali insieme formano una forma approssimativamente sferica, motivo per cui gli atomi sono generalmente rappresentati come sfere.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.