Un orbitale è un modello matematico, viene rappresentato con una funzione d’onda che indica la densità e la probabilità di trovare l’elettrone in una certa regione dello spazio.
Si distingue, in generale, tra orbitale atomico ed orbitale molecolare.
Un orbitale atomico è quella regione di spazio attorno al nucleo atomico in cui la probabilità di trovare un elettrone è massima ed è delimitata da una superficie sulla quale il modulo dell’ampiezza della funzione d’onda è costante (generalmente normalizzata a uno).
Viene definito orbitale atomico dell’elettrone la regione di spazio attorno ad un nucleo atomico in cui la probabilità di trovarvi un elettrone è massima .
Visivamente, tale orbitale può essere rappresentato mediante una ’superficie di contorno cioè come una nuvola la cui intensità del colore è proporzionale alla densità di probabilità di trovare l’elettrone in quel punto e con forme tali dal comprendere il 90% della probabilità elettronica.
La forma, il numero e l’estensione degli orbitali atomici sono stati dedotti tramite le soluzioni dell’equazione di Schrödinger e sono correlati ai numeri quantici che identificano l’elettrone stesso.
• al numero quantico principale n, che può assumere valori interi non inferiori a 1, definisce il livello dell’energia .
• al numero quantico secondario l, che può assumere valori interi positivi compresi tra 0 ed n-1, è legato il numero di nodi non sferici e, indirettamente, la forma dell’orbitale;
• al numero quantico magnetico ml, che può assumere valori interi compresi tra +l e -l, sono legati il tipo di nodo – planare o conico – la sua orientazione nello spazio e la molteplicità degli orbitali.
In base al principio di esclusione di Pauli, ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni.
Gli orbitali vengono riempiti partendo da quelli ad energia minima (stato fondamentale) e riempiendo, via via, quelli ad energia superiore; se sono presenti degli orbitali degeneri, come ad esempio i tre orbitali p gli elettroni si distribuiscono in modo da occuparne il maggior numero.
La disposizione degli elettroni negli orbitali atomici costituisce la configurazione elettronica di un atomo, dalla quale dipendono la reattività, la valenza e la geometria delle molecole che questi va a comporre.
Alcuni esempi:
• idrogeno: 1 elettrone nell’orbitale 1s -> 1s1
con un elettrone spaiato, è in grado di formare un legame semplice con gli altri atomi
• elio: 2 elettroni nell’orbitale 1s -> 1s2
non ha elettroni spaiati, non è in grado di formare legami con gli altri atomi
• azoto: 2 elettroni nell’orbitale 1s, 2 nel 2s, 3 nel 2p -> 1s2 2s2 2p3
con tre elettroni spaiati – uno in ogni orbitale 2p – è in grado di formare tre legami (ammoniaca: NH3)
• ossigeno: 2 elettroni nell’orbitale 1s, 2 nel 2s, 4 nel 2p -> 1s2 2s2 2p4
con due elettroni spaiati – un orbitale 2p ne alloca due, gli atri due uno ciascuno – è in grado di formare due legami (acqua: H2O).
Il modello, però, costruito così semplicemente, non è perfettamente compatibile con i dati sperimentali. Se, ad esempio, l’azoto lega tre atomi a sé tramite i suoi orbitali p, allora l’ammoniaca dovrebbe avere i suoi legami a 90° di distanza l’uno dall’altro. Sappiamo, dai dati sperimentali, che non è così; l’angolo formato da due legami N-H è di circa 107°.
Il carbonio ha la seguente struttura: 1s2 2s2 2p2 – due elettroni spaiati negli orbitali p; però l’unico composto del carbonio in cui questi scambia due legami è l’ossido di carbonio, C=O: in tutti gli altri suoi composti il carbonio forma con gli atomi vicini quattro legami.
Le evidenze sperimentali osservate hanno portato ad ipotizzare e successivamente a formalizzare la formazione di orbitali ibridi ottenuti dalla combinazione di un orbitale s con uno, due o tre orbitali p.
L’ibridazione porta ad avere un gruppo di orbitali degeneri in cui gli elettroni andranno a distribuirsi occupandone il più possibile; prendiamo l’esempio del carbonio.
Nella configurazione ibrida il carbonio presenta quattro elettroni spaiati, ognuno in un orbitale sp3, configurazione che spiega i quattro legami formati dal carbonio nei suoi composti e la geometria tetraedrica delle molecole in cui compare (vedi alcani).
L’ibridazione è un processo che richiede energia, dato che gli orbitali p si trovano ad un livello energetico leggermente superiore a quello dei corrispondenti orbitali s, tuttavia questa energia è ampiamente compensata dalla maggiore stabilità dei legami che l’atomo ibridato è in grado di formare.
Le ibridazioni tra orbitali s e p non sono le uniche esistenti. Gli elementi di transizione possono formare ibridi più complessi (es. d2sp3), tipici dei composti di coordinazione.
Un orbitale molecolare è un orbitale esteso a due o più atomi uniti da un legame covalente. Si può visualizzarlo come il prodotto della fusione per sovrapposizione di due orbitali atomici.