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Electron Orbital Model

### 2.4: Modelo Orbital dos Eletrões

#### Overview

Orbitals are the areas outside of the atomic nucleus where electrons are most likely to reside. They are characterized by different energy levels, shapes, and three-dimensional orientations.

#### The Location of an Electron within an Atom Corresponds with an Energy Level and an Orbital Shape

The location of electrons is described most generally by a shell or principal energy level, then by a subshell within each shell, and finally, by individual orbitals found within the subshells. The first shell is closest to the nucleus, and it has only one subshell with a single spherical orbital, termed the 1s orbital, that can hold two electrons. The next shell holds eight total electrons: two in the spherical 2s orbital and two in each of the three dumbbell-shaped 2p orbitals. In higher energy levels, the outermost orbitals—those found in the d and f subshells—take on more complex shapes. A total of 10 electrons can fit within the five d orbitals, and 14 total electrons fit within the seven f orbitals.

Orbital diagrams can be used to visualize the location and relative energy levels of each electron in an atom. Within each shell, electrons have a rising level of energy. The s subshell has the lowest amount of energy. Electrons in the p subshell have somewhat higher energy, followed by the d and f subshell if they are present.

#### The Bohr Model Introduced the Concept of Orbitals

We have seen that electrons in different orbitals have different energy levels. How do we know that there is energy in the electrons at all, much less that electrons can have differing amounts of energy? In 1913, Niels Bohr was able to experimentally determine how much energy was gained and lost when electrons changed orbitals in an atom of hydrogen and other ions with a single electron. Combining the results of his experiments with prior knowledge of a positively-charged nucleus from the work of Ernest Rutherford, Bohr developed the first model of electron orbitals.

When electrons gain energy, they enter an excited state and jump to higher orbitals. Energy can be added to electrons in the form of heat or light, and when they lose that energy rapidly, they fall back from the higher orbital and emit a particle of light called a photon. The color of the emitted photon corresponds to a specific amount of energy so that it can be quantified by a spectroscope.

Bohr was able to determine the energy contained in principal energy levels—also referred to as shells—by heating hydrogen. The additional heat energy forced the electron to jump up from the first energy level to higher levels. Bohr then measured the wavelength of light that was emitted when the atoms cooled down again.

#### The Quantum Mechanical Model of the Atom

Bohr’s model of electron orbitals assumed that electrons orbited the nucleus in fixed circular paths. While his experiments were accurate for hydrogen and hydrogen-like ions with a single electron, he could not predict the electron configurations of other elements. There had to be additional factors influencing the physics of subatomic particles.

In 1926 Erwin Schrödinger expanded Bohr’s model of energy levels and developed the model of atomic orbitals that is still accepted today. Schrödinger took a number of other discoveries into account regarding the physical behavior of electrons that were made by scientists in the early 1920s. His quantum mechanical model accurately predicts the electron configurations of elements with multiple electrons. One fundamental change in Schrödinger’s model is the assumption that electrons travel in a wave motion that is affected by the positive charge of the nucleus. Because of this, the orbitals that we speak of today are cloud-like areas where electrons are most likely to be found rather than fixed circular paths as Bohr proposed. Another critical distinction is the division of Bohr’s energy levels—shells—into smaller categories—subshells and orbitals.

#### Visão Geral

Orbitais são as áreas fora do núcleo atómico onde é mais provável que os eletrões residam. Elas são caracterizadas por diferentes níveis de energia, formas e orientações tridimensionais.

#### A Localização de um Eletrão Dentro de um Átomo Corresponde a um Nível de Energia e uma Forma Orbital

Diagramas orbitais podem ser usados para visualizar a localização e os níveis relativos de energia de cada eletrão em um átomo. Dentro de cada camada energética, os eletrões têm um nível crescente de energia. A subcamada s tem a menor quantidade de energia. Eletrões na subcamada p têm uma energia um pouco maior, seguidos das subcamadas d e f se estiverem presentes.

#### O Modelo Bohr Introduziu o Conceito de Orbitais

Vimos que eletrões em diferentes orbitais têm diferentes níveis de energia. Como sabemos que há energia nos eletrões de todo, ou que os eletrões podem ter diferentes quantidades de energia? Em 1913, Niels Bohr foi capaz de determinar experimentalmente quanta energia foi adquirida e perdida quando eletrões mudaram de orbitais em um átomo de hidrogénio e outros iões com um único eletrão. Combinando os resultados das suas experiências com o conhecimento prévio de um núcleo carregado positivamente a partir do trabalho de Ernest Rutherford, Bohr desenvolveu o primeiro modelo de orbitais de eletrões.

Quando os eletrões ganham energia, entram em um estado excitado e saltam para orbitais mais altas. A energia pode ser adicionada aos eletrões na forma de calor ou luz, e quando perdem essa energia rapidamente, eles recuam da orbital superior e emitem uma partícula de luz chamada fotão. A cor do fotão emitido corresponde a uma quantidade específica de energia pelo que pode ser quantificada por um espectroscópio.

Bohr foi capaz de determinar a energia contida nos principais níveis de energia—também chamados de camadas energéticas—aquecendo o hidrogénio. A energia térmica adicional forçou o eletrão a saltar do primeiro nível de energia para níveis mais altos. Bohr mediu então o comprimento de onda da luz que foi emitida quando os átomos arrefeceram novamente.

#### O Modelo Mecânico Quântico do Átomo

O modelo de orbitais de eletrões de Bohr assumiu que os eletrões orbitavam o núcleo em caminhos circulares fixos. Embora as suas experiências fossem precisas para iões de hidrogénio e semelhantes a hidrogénio com um único eletrão, ele não podia prever as configurações eletrónicas de outros elementos. Tinha de haver fatores adicionais a influenciar a física das partículas subatómicas.

Em 1926, Erwin Schrödinger expandiu o modelo de níveis de energia de Bohr e desenvolveu o modelo de orbitais atómicas que ainda é aceite hoje em dia. Schrödinger teve em consideração uma série de outras descobertas sobre o comportamento físico dos eletrões que foram feitas por cientistas no início da década de 1920. O seu modelo mecânico quântico prevê com precisão as configurações eletrónicas de elementos com múltiplos eletrões. Uma mudança fundamental no modelo de Schrödinger é a suposição de que os eletrões viajam em um movimento ondulatório que é afetado pela carga positiva do núcleo. Por causa disso, as orbitais de que falamos hoje são áreas semelhantes a nuvens onde os eletrões são mais propensos a serem encontrados em vez de caminhos circulares fixos como Bohr propôs. Outra distinção crítica é a divisão dos níveis de energia de Bohr—camadas energéticas—em categorias menores—subcamadas e orbitais.

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