Orbitály a kvantové čísla

V lekcii Elektrónový obal atómu sme si elektróny rozdelili do vrstiev. Skutočnosť je však zaujímavejšia. Elektrón nie je malá gulička, ktorá krúži po presnej dráhe. Správa sa skôr ako vlna a jeho presnú polohu v danom okamihu nevieme určiť.

Vieme však vypočítať, kde sa elektrón vyskytuje s najväčšou pravdepodobnosťou. Tento priestor okolo jadra nazývame orbitál. Môžeš si ho predstaviť ako rozmazaný oblak: tam, kde je oblak hustejší, je elektrón častejšie.

Pozor na podobné slová: orbita je dráha (napríklad dráha Mesiaca okolo Zeme), kým orbitál je oblasť výskytu elektrónu. Do jedného orbitálu sa zmestia najviac 2 elektróny.

Každý elektrón v atóme môžeme opísať štyrmi kvantovými číslami. Sú ako adresa: mesto, ulica, číslo domu a číslo bytu.

Kvantové číslo	Značka	Čo určuje	Možné hodnoty
hlavné	$n$	vrstvu, veľkosť a energiu orbitálu	1, 2, 3, 4…
vedľajšie	$l$	typ podvrstvy a tvar orbitálu	0 až $n - 1$
magnetické	$m$	orientáciu orbitálu v priestore	$-l$ až $+l$
spinové	$s$	spin elektrónu	$+\frac{1}{2}$ alebo $-\frac{1}{2}$

Hlavné kvantové číslo n

Už ho poznáš: určuje vrstvu (K, L, M, N…). Čím je $n$ väčšie, tým je orbitál väčší a elektrón má vyššiu energiu.

Vedľajšie kvantové číslo l

Každá vrstva sa delí na podvrstvy. Vedľajšie kvantové číslo nadobúda hodnoty od 0 až po $n - 1$ a namiesto čísel používame písmená:

l	0	1	2	3
písmeno	s	p	d	f

Vo vrstve n = 1 je teda len podvrstva 1s, vo vrstve n = 2 podvrstvy 2s a 2p, vo vrstve n = 3 podvrstvy 3s, 3p a 3d. Podvrstvu zapisujeme ako číslo vrstvy a písmeno, napríklad 3p znamená n = 3 a l = 1.

Magnetické kvantové číslo m

Určuje, ako je orbitál natočený v priestore. Nadobúda celé čísla od $-l$ po $+l$, teda $2l + 1$ hodnôt. Z toho vyplýva, koľko orbitálov je v každej podvrstve:

Podvrstva	l	hodnoty m	počet orbitálov	max. počet elektrónov
s	0	0	1	2
p	1	−1, 0, +1	3	6
d	2	−2, −1, 0, +1, +2	5	10
f	3	−3 až +3	7	14

Spinové kvantové číslo s

Elektrón má vlastnosť, ktorú nazývame spin. Zjednodušene si ho môžeš predstaviť ako otáčanie elektrónu okolo vlastnej osi jedným alebo druhým smerom. Spinové kvantové číslo má len dve hodnoty: $+\frac{1}{2}$ a $-\frac{1}{2}$. Pri kreslení ich znázorňujeme šípkami ↑ a ↓.

Keďže spin má len dve možnosti, do jedného orbitálu sa zmestia najviac dva elektróny, a to s opačnými spinmi.

n (vrstva)	možné l	podvrstvy	počet orbitálov	max. počet elektrónov
1 (K)	0	1s	1	2
2 (L)	0, 1	2s, 2p	1 + 3 = 4	8
3 (M)	0, 1, 2	3s, 3p, 3d	1 + 3 + 5 = 9	18
4 (N)	0, 1, 2, 3	4s, 4p, 4d, 4f	1 + 3 + 5 + 7 = 16	32

Všimni si, že počet orbitálov vo vrstve je $n^2$ a počet elektrónov $2n^2$. To je presne vzťah, ktorý poznáš z predchádzajúcej lekcie.

• Orbitál s má tvar gule, ktorej stred je v jadre. Orbitál 2s je väčší ako 1s, 3s ešte väčší.
• Orbitály p majú tvar činky (dve kvapky spojené v jadre). V každej vrstve od n = 2 sú tri a sú navzájom kolmé, smerujú pozdĺž osí x, y a z. Preto ich označujeme $p_x$, $p_y$ a $p_z$.
• Orbitály d majú zložitejšie tvary, väčšinou pripomínajú štvorlístok. Stretneš sa s nimi pri prechodných kovoch, ako je železo alebo meď.
• Orbitály f sú ešte zložitejšie a týkajú sa najmä lantanoidov a aktinoidov.

Vyskúšaj si to v interaktívnom cvičení pod textom: zvoľ hodnoty kvantových čísel a pozri sa, ktorý orbitál im zodpovedá.

Keď už vieme, aké orbitály v atóme existujú, môžeme sa pozrieť na to, v akom poradí ich elektróny obsadzujú. To je téma lekcie Pravidlá zapĺňania orbitálov.