Gli orbitali: dimensione, forma e quantità

Gli orbitali: dimensione, forma e quantità

Gli orbitali sono la regione di spazio dove è altamente probabile, sopra il 90%, di trovare l’elettrone di un atomo.

L’atomo è formato da un nucleo, dove si trovano i protoni, e dagli elettroni che girano attorno al nucleo. Il numero dei protoni e quello degli elettroni sono uguali. Perciò l’idrogeno che ha numero atomico 1, ha un solo elettrone. Questi gira attorno al nucleo in una regione sferica fino ad una data distanza massima. Questa regione è l’orbitale di un elettrone.

Vedi anche: Com’è fatto un atomo

L’orbitale può essere definito anche come la funzione d’onda degli elettroni che influiscono sulla loro posizione.

L’orbitale può avere forma e dimensione diverse e un determinato gruppo di orbitali della stessa forma può averne più di uno allo stesso sottolivello. Per definire l’orbitale di un elettrone ci si serve di alcuni valori.

Numero quantico principale

La distanza minima e massima di un elettrone dal nucleo dipende dall’energia dell’orbitale. Questo valore viene chiamato livello energetico principale o numero quantico principale.

Il numero quantico principale, che ha come simbolo n, si può paragonare ad un’unità di misura, come il metro. Serve a darci un’idea dell’ampiezza dell’orbita, dato che l’elettrone si muove ad una velocità così alta che è impossibile stabilire la sua posizione e la sua velocità in un dato momento.

Il livello energetico principale si esprime con numeri interi e va da 1 a 7. Teniamo anche conto che la distanza tra gli elettroni e il nucleo è molto maggiore della dimensione di quest’ultimo.

Numero quantico secondario e numero quantico magnetico

Passiamo ora alla forma e al numero degli orbitali. Verranno considerati assieme perché sarà più facile capire questi concetti.

La forma dell’orbitale è indicata dal numero quantico secondario e viene rappresentata dal simbolo l.

Anche il numero quantico secondario viene espresso con dei numeri interi e a ciascun numero corrisponde una lettere che indica il sottolivello e la forma dell’orbitale.

Numero quantico secondario (l)Sottolivello
0s
1p
2d
3f

A queste lettere corrisponde una forma dell’orbitale. La lettera s indica una regione sferica, come detto precedentemente. La forma dell’orbitale p è caratterizzata da due gocce la cui punte è rivolta al nucleo; a ciascuna goccia passa un elettrone.

Il numero quantico secondario è legato a quello principale. A ogni valore di n, l avrà valori compresi tra 0 e n-1.

Ad esempio se n=1, l avrà valore 0 a cui corrisponde la regione sferica. Pertanto in quell’atomo ci sarà soltanto un orbitale con al massimo due elettroni.

Se n = 2, l = 0, 1 quindi abbiamo s e p, quindi due sottolivelli.

Un’altra cosa. Il livello energetico principale viene indicato prima della lettera che specifica la forma dell’orbitale. Quindi, con n = 1 abbiamo il sottolivello 1s ma nessun sottolivello p. Se n = 2 abbiamo il sottolivello 1s, il sottolivello 2s e il sottolivello 2p.

Se abbiamo n = 3 allora l = 0, 1, 2 cioè s, p e d. Questo significa che nel sottolivello 1 abbiamo l’orbitale 1s, nel sottolivello 2 abbiamo gli orbitali 2s, 2p e nel sottolivello finale abbiamo gli orbitali 3s, 3p e 3d.

Ma come si determina il numero di orbitali? Questo viene indicato dal numero quantico magnetico, al quale corrisponde il simbolo m, che è legato al numero quantico secondario. m ha valori compresi tra -l e +l.

Se l = 0 anche m = 0 e questo indica che non ci sono né sottolivelli né orbitali al loro interno. L’unico orbitale è quello al livello 1s.

Se l = 1 allora m = -1,0,+1. Cosa significa?

In realtà, dobbiamo soltanto contare i valori di m; in questo caso sono 3. Come possiamo vedere nella tabella sopra ad l = 1, corrisponde il gruppo di orbitali p. Il valore m = 3 indica che per ogni gruppo di p corrispondono 3 orbitali a forma di due gocce. Ovviamente, questi tre orbitali non si sovrappongono dato che il modello atomico, o struttura atomica, è tridimensionale. Si può dire che i tre orbitali sono perpendicolari l’uno con l’altro e giacciono ognuno su un asse di un immaginario sistema cartesiano. Abbiamo così px, py e pz.

Forme s, p, d ed f degli orbitali atomici (haade, CC BY-SA 3.0, attraverso Wikimedia Commons)

Numero quantico di spin

Il numero quantico di spin, indicato con il simbolo ms, serve per definire il verso di rotazione di un elettrone. Proprio come i pianeti, gli elettroni girano attorno al proprio asse.

Il valore sarà +1/2 se la rotazione è in senso antiorario o -1/2 se avviene in senso orario. All’interno di ogni orbitale possono esserci al massimo due elettroni di rotazione opposta. Quindi due elettroni possono avere gli altri numeri quantici uguali ma non il numero di spin.

Graficamente, l’orbitale viene disegnato sotto forma di un quadrato e i due elettroni all’interno con delle frecce: il primo da un freccia rivolta verso l’alto (+1/2) e il secondo da una freccia rivolta verso il basso (-1/2).

Così, l’orbitale s viene rappresentato da un solo quadrato, gli orbitali p da 3 quadrati e così via, a seconda nel numero quantico magnetico. Infine, il numero totale degli elettroni vengono indicati con un numero come apice sopra la lettera della forma dell’orbitale. Ad esempio, 1s1 nel caso di un solo elettrone o 1s2 nel caso di due elettroni.

Se si vuole comprendere ancora meglio questo argomento, si può guardare questo video, realizzato da Andy’s corner, dove è possibile vedere anche delle animazioni 3D.