Orbitales Atómicos

Un orbital atómico representa las regiones tridimensionales en un átomo donde un electrón tiene la mayor probabilidad de residir. La función de distribución radial indica la probabilidad total de encontrar un electrón dentro de la capa delgada a una distancia r del núcleo. Los orbitales atómicos tienen formas distintas que están determinadas por l, el número cuántico del momento angular. Los orbitales a menudo se dibujan con una superficie limitante, que encierra las regiones más densas de la nube. 

El número cuántico de momento angular es un entero que puede tomar los valores, l = 0, 1, 2, …, n –1. Un orbital con un número cuántico principal de 1 (n = 1) sólo puede tener un valor de l (l = 0), mientras que un número cuántico principal de 2 (n = 2) permite l = 0 y l = 1. Los orbitales con el mismo valor de l definen una subcapa.

Los orbitales con l = 0 se denominan orbitales s y forman las subcapas s. El valor l = 1 corresponde a los orbitales p. Para una n dada, los orbitales p constituyen una subcapa p (es decir, 3p si n = 3). Los orbitales con l = 2 se denominan orbitales d. Los orbitales con l = 3, 4 y 5 son los orbitales f,g y h. 

El orbital de menor energía es el orbital 1s. Se trata de un orbital esférico simétrico. La densidad de probabilidad (ψ²) de un orbital 1s implica que es más probable que el electrón se encuentre en el núcleo. Sin embargo, dadas las fuerzas electrostáticas entre protones y electrones, esto no representa con precisión dónde residirá el electrón. En su lugar, se utiliza la función de distribución radial, que es un gráfico de la probabilidad total de encontrar un electrón en un orbital en un radio dado r. La función de distribución radial se obtiene multiplicando la densidad de probabilidad por el volumen de subcapas esféricas delgadas con radios r. Para el orbital 1s del hidrógeno, la función de distribución radial tiene un valor cero en el núcleo, que aumenta hasta un máximo de 52,9 picómetros antes de disminuir con el aumento del radio r.

Existen ciertas distancias desde el núcleo en las que la densidad de probabilidad de encontrar un electrón localizado en un orbital determinado es cero. En otras palabras, el valor de la función de onda ψ es cero a esta distancia para este orbital. Este valor de r se denomina nodo radial. El número de nodos radiales en un orbital es n – l – 1. Para los orbitales 2s, donde n = 1, hay un nodo radial, mientras que los orbitales 3s tienen dos nodos radiales. 

Cada nivel principal con n = 2 o más contiene tres orbitales p. Los tres orbitales p tienen dos lóbulos con un nodo localizado en el núcleo . La orientación de los orbitales p en el espacio se describe por el valor de m_l. Los tres orbitales p son perpendiculares entre sí (ortogonales). Los orbitales p más altos (3p, 4p, 5p y superiores) tienen formas similares pero son de mayor tamaño con nodos radiales adicionales.

Los niveles principales con n = 3 o más contienen cinco orbitales d. Cuatro de estos orbitales consisten en una forma de trébol, con cuatro lóbulos electrón-densos. Hay dos planos nodales perpendiculares que se entrecruzan en el núcleo. En estos planos nodales, la densidad de electrones es cero. Uno de los orbitales d es ligeramente diferente en forma y tiene dos lóbulos orientados en el eje z con un anillo en forma de dona en el plano xy. Los niveles principales con n = 4 y superiores contienen siete orbitales f, que tienen formas complejas. Estos orbitales tienen más nodos y lóbulos que los orbitales d.

Figura 1: Orbitales representativos s, p, d y f .

Estas diferentes formas de los orbitales atómicos representan las regiones tridimensionales dentro de las cuales es probable que se encuentre el electrón. Todos los orbitales juntos conforman una forma más o menos esférica, razón por la cual los átomos generalmente se representan como esferas.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 6.3: Desarrollo de la Teoría Cuántica.