ORBITALES ATÓMICOS
Los orbitales
atómicos son aquellas regiones del átomo definidas por una función de onda
para los electrones. Las funciones de onda son expresiones matemáticas
obtenidas de la resolución de la ecuación de Schrödinger.
Estas describen el estado energético de uno o más electrones en el espacio, así
como la probabilidad de encontrarlo.
Orbitales s
Los números
cuánticos l=0, y ml=0 (además de sus componentes radial y angular)
describen un orbital con forma esférica. Este es el que encabeza la pirámide de
orbitales de la imagen inicial. Asimismo, tal como se aprecia en la imagen de
los nodos radiales, puede esperarse que los orbitales 4s, 5s y 6s, tengan tres,
cuatro y cinco nodos.
Se caracterizan por ser
simétricos y sus electrones experimentan una mayor carga nuclear efectiva. Esto
se debe a que sus electrones pueden penetrar capas internas y rondar muy cerca
del núcleo, el cual ejerce una atracción positiva sobre ellos.
Por lo tanto, existe una probabilidad
de que un electrón 3s pueda penetrar al orbital 2s y 1s, aproximándose al
núcleo. Este hecho explica por qué un átomo con orbitales híbridos sp, es
más electronegativo (con
mayor tendencia a atraer densidad electrónica de sus átomos vecinos) que aquel
con hibridación sp3.
Así, los electrones de los
orbitales s son los que más experimentan la carga del núcleo y son
energéticamente más estables. Conjuntamente, ejercen un efecto de
apantallamiento sobre los electrones de otros subniveles u orbitales; esto es,
disminuyen la carga nuclear real Z experimentada por los electrones más
externos.
Los orbitales p
Los orbitales p poseen los
números cuánticos l=1, y con valores de ml=-1, 0, +1. Es decir, un
electrón en estos orbitales puede tomar tres direcciones.
Nótese que cada mancuerna se
sitúa a lo largo de un eje cartesiano x, y y z. Por lo
tanto, aquel orbital p ubicado en el eje x, se denota como px; el que está en
el eje y, py; y si apunta perpendicularmente al plano xy, es decir, sobre el
eje z, es entonces pz.
Todos los orbitales son
perpendiculares entre sí, es decir, forman un ángulo de 90º. Asimismo, la
función angular desaparece en el núcleo (el origen del eje cartesiano), y sólo
existe la probabilidad de encontrar al electrón dentro de los lóbulos (cuya
densidad electrónica depende de la función radial).
Los orbitales d
Los orbitales d tienen valores
de l=2, y ml= -2, -1, 0, +1, +2. Hay por lo tanto cinco
orbitales capaces de albergar diez electrones en total
Los primeros, los orbitales
3d, carecen de nodos radiales, pero todos los demás, excepto el orbital dz2,
poseen dos planos nodales; no los planos de la imagen, pues estos solo muestran
en qué ejes se sitúan los lóbulos anaranjados con formas de hojas de trébol.
Los dos planos nodales son aquellos que bisecan perpendicular al plano gris.
Sus formas los hacen aún menos
efectivos para apantallar la carga nuclear efectiva. ¿Por qué? Porque poseen
más nodos, por los cuales el núcleo puede atraer los electrones externos.
Por lo tanto, todos los
orbitales d contribuyen a que el incremento de los radios atómicos sea menos
pronunciado pasando de un nivel energético a otro.
Finalmente, los orbitales f
tienen número cuántico con valores de l=3, y ml= -3, -2, -1, 0, +1,
+2, +3. Son siete orbitales f, para un total de catorce electrones. Estos
orbitales empiezan a estar disponibles a partir del período 6, simbolizados
superficialmente como 4f.
Cada uno de las funciones
angulares representa lóbulos con formas intrincadas y varios planos nodales.
Por lo tanto, apantallan aún menos los electrones externos y este fenómeno
explica lo que se conoce como contracción lantánida.
Por esa razón para los átomos
pesados no existe una variación pronunciada de sus radios atómicos de un
nivel n a otro n+1 (6n a 7n, por ejemplo). Hasta la fecha,
los orbitales 5f son los últimos hallados en átomos naturales o artificiales.
Con todo esto en mente, se
abre un abismo entre lo que se conoce como órbita y los orbitales. Aunque
textualmente sean parecidos, en la realidad son muy diferentes.
El concepto de orbital atómico
y la aproximación orbital han permitido darles explicaciones al enlace químico,
y cómo éste puede, de un modo u otro, incidir en la estructura molecular.
