Atomer är sammansatta av en tung kärna omgiven av ljuselektroner. Elektronernas beteende styrs av kvantmekanikens regler. Dessa regler tillåter elektroner att uppta specifika regioner som kallas orbitaler. Samspelet mellan atomer är nästan uteslutande genom sina yttersta elektroner, så formen på dessa orbital blir mycket viktig. När till exempel när atomar väckas bredvid varandra, om deras yttersta orbitaler överlappar varandra kan de skapa en stark kemisk bindning. så lite kunskap om orbitalsformen är viktigt för att förstå atomväxlingar.

Kvantum och orbitaler

Fysiker har funnit det lämpligt att använda stenografi för att beskriva egenskaper hos elektroner i en atom. Shorthand är i kvantumtal; dessa siffror kan bara vara hela tal, inte fraktioner. Huvudkvantumet, n, är relaterat till elektronens energi; då är det orbitalkvantumtalet, l och vinkelmomentnumret, m. Det finns andra kvantnummer, men de är inte direkt relaterade till orbitalsformen. Orbitaler är inte banor, i betydelsen att vara vägar runt kärnan; I stället representerar de positionerna där elektronen troligen kommer att hittas.

S Orbitals

För varje värde av n finns det ett orbital där både l och m är lika med noll. Dessa orbitaler är sfärer. Ju högre värdet på n, ju större sfären är, desto mer sannolikt är det att elektronen kommer att finna längre från kärnan. Kulorna är inte lika täta i hela; de är mer som kapslade skal. Av historiska skäl kallas detta en orbitalt. På grund av kvantemekanikens regler måste de lägsta energinelektronerna, med n = 1, ha både l och m lika med noll, så det enda orbitalet som finns för n = 1 är s orbitalt. S-orbitalen existerar också för varje annat värde av n.

P Orbitals

När n är större än en, öppnas fler möjligheter. L, det orbitala kvantnumret, kan ha något värde upp till n-1. När jag är lika med, kallas orbitalet ett p-orbitalt. P-orbital ser ut som om hantlar. För varje l, går m från positiv till negativ l i steg av en. Så, för n = 2, l = 1, m kan vara lika med 1, 0 eller -1. Det betyder att det finns tre versioner av p orbitalen: en med hanteln upp och ner, en annan med hanteln åt höger och en annan med hanteln i rät vinkel mot båda de andra. P-orbitaler existerar för alla huvudkvantumnummer som är större än en, även om de har ytterligare struktur när n blir högre.

D Orbitals

När n = 3, kan l vara lika med 2 och när l = 2, m kan vara 2, 1, 0, -1 och -2. L = 2 orbitalerna kallas d orbitaler, och det finns fem olika som motsvarar de olika värdena på m. N = 3, l = 2, m = 0 orbital ser också ut som en hantel men med en munk runt mitten. De övriga fyra d-orbitalerna ser ut som fyra ägg staplade i slutet i ett kvadratmönster. De olika versionerna har bara ägg som pekar i olika riktningar.

F Orbitals

N = 4, l = 3 orbitaler kallas f orbitaler, och de är svåra att beskriva. De har flera komplexa funktioner. Till exempel är n = 4, l = 3, m = 0; m = 1; och m = -1 orbitaler är formade som hantlar igen, men nu med två munkar mellan ändarna av skenan. De andra m-värdena ser snäll ut som en bunt av åtta ballonger, med alla sina knutar bundna i mitten.

Visualiseringar

Matematiken som styr elektronens orbitaler är ganska komplex, men det finns många online-resurser som ger grafiska realisationer av de olika orbitalerna. Dessa verktyg är mycket användbara för att visualisera beteendet hos elektroner runt atomer.