Czym są powłoki, podpowłoki i orbitale w chemii?

• Najwyższy poziom organizacji elektronów w atomie to powłoka elektronowa.
  
• Powłokę możemy podzielić na podpowłoki – czyli zbiór orbitali o takiej samej energii.
  
• Orbital to obszar w przestrzeni wokół jądra atomowego, gdzie z największym prawdopodobieństwem możemy znaleźć dany elektron.

Czym są powłoki – charakterystyka:

• Powłoki to przestrzeń zawierająca elektrony o zbliżonej wartości energii,
• Oznaczane są wielkimi literami alfabetu, począwszy od K, a następnie L, M, N itd.,
• Podzielone są na podpowłoki, które określają kształt rozkładu gęstości elektronowej i energię elektronów wokół jądra.

Czym są podpołowki:

• Podpowłoki to zbiór wszystkich stanów kwantowych (elektronów), które mają wspólną wartość głównej (n) i pobocznej (l) liczby kwantowej. Każda powłoka zawiera n podpowłok,
• Różnią się od siebie kształtem i energią orbitali, które zawierają elektrony.

Czym jest orbital atomowy:

• Orbital atomowy to obszar wokół jądra atomowego, w którym prawdopodobieństwo znalezienia danego elektronu jest największe,
• Istnieją różne rodzaje orbitali atomowych: orbitale s, orbitale p, orbitale d i orbitale f, które różnią się między sobą kształtem i/lub  orientacją w przestrzeni,
• Orbital s jest kulisty, podczas gdy orbital   p ma kształt zbliżony do (przestrzennej) cyfry osiem. Orbitale d i f mają złożone kształty. 

Na każdym poziomie orbitalnym obsadzone są maksymalnie dwa elektrony, które różnią się między sobą tylko wartością magnetycznej spinowej liczby kwantowej.

Ten artykuł może Cię zainteresować – Liczby kwantowe

Określanie powłok elektronowych i podpowłok

Powłoki elektronowe określa się poprzez podanie liczb od 1 wzwyż (określają one wartości tzw. głównej liczby kwantowej) albo też określa się je poprzez symbole literowe: K, L, M, N itd.  W obrębie danej powłoki energia elektronów jest skwantowana (poza powłoką 1. czyli K) przez co w obrębie powłoki wyróżniamy podpowłoki. Wyróżnia się podpowłoki s, p, d, f – różnią się one między sobą kształtem obszaru orbitalnego, a w obrębie powłoki różnią się one również energią.

Typy i budowa orbitali atomowych

Przez wzgląd na stan energetyczny elektronów atomie czy też jonie, istnieją  4 typy orbitali atomowych: orbital s, orbital p, orbital d i orbital f. W każdej podpowłoce znajduje się tylko jeden z rodzajów orbitali. I tak podpowłoka 1s posiada jeden orbital s, podpowłoka 2p posiada 3 orbitale p, podpowłoka 3d posiada 5 orbitali d, a podpowłoka 4f posiada 7 orbitali f. Ten stan rzeczy również związany jest z liczbami kwantowymi.

Jeden orbital może opisać dwa elektrony – będą różniły się one od siebie spinem, czyli kierunkiem ruchu wokół własnej osi, a to z kolei warunkuje, że na podpowłoce zawierającej orbitale s można obsadzić 2 elektrony (1 orbital), na podpowłoce zawierającej orbitale p: 6 elektronów (3 orbitale), na podpowłoce zawierającej orbitale d – 10 elektronów (5 obszarów), a na podpowłoce f: 14 elektronów (7 orbitali).

W obrębie danej powłoki istnieje pewne ograniczenie co do liczby elektronów ją obsadzających. To ograniczenie można przedstawić za pomocą wzoru 2n² , gdzie n to wartość głównej liczby kwantowej i jest to także numer analizowanej powłoki. Np. w obrębie 2. powłoki (L) mamy do czynienia z 8 elektronami; możemy też powiedzieć, że mamy do czynienia z 8 stanami kwantowo mechanicznymi.

Zobacz wizualizację ChemMastera porównującą powłoki, podpowłoki i obitale do bloku mieszkalnego, pięter i mieszkań 😉