Orbitalul 1s, caracterizat prin numerele cuantice n = 1, l = 0, este cel mai apropiat de nucleu si are raza r 0,5 A°.

Între orbitalii s succesivi, exista suprafete nodale pentru care . n fiecare strat electronic, indiferent de valoarea lui n, exista doar câte un orbital s.

Orbitalii p sunt caracterizati prin l = 1, m = -1, 0 sau 1 (v. fig. 1.4 ). Ei au o simetrie axiala si o forma bilobata.

Cei doi lobi sunt despartiti printr-un plan nodal care tre­ce prin nucleu (unde, bine­înteles, probabilitatea de întâlni­re a electronului este nula, P = 0), functia schimbân­du-si sem­nul de o parte si de alta a planului nodal. Orbitalii p sunt orien­tati de-a lungul axelor de coordonate, formând între ei unghiuri de 90⁰. În fiecare strat exista 3 orbitali atomici p, corespunzatori celor trei numere cuantice magnetice.

Notatia lor conventionala este np_x, np_y, np_z. Electronul este uniform distribuit între cei doi lobi, densitatea electronica fiind nula în planul nodal.

Orbitalii p

Fig. 1.4.

Reprezentarea orbitalilor p

Orbitalii d (v. fig. 1.5) sunt în numar de cinci, caracteri­zati prin l = 2, m = -2, -1, 0, +1 sau +2 si notati cu simbolurile , , , si ( bineînteles, n > 3 ). Ei sunt, cu excep­tia lui , tetralobati. Astfel, d_xy, d_yz, d_xz for­mea­­za cu axele de coordonate unghiuri de 45°, iar este situ­at chiar pe axele Ox si Oy.

Semnul functiei alterneaza între lobii adiacenti. Orbitalul are o forma mai deosebita, lobul pozitiv având o forma similara cu a celorlalti si orientat pe axa Oz, iar lobul negativ sub forma de tor ( inel ) în jurul nucleului.

Orbitalii d

Orbitalii f, sunt în numar de 7 si au o geometrie mai complicata (v. fig. 1.6). Ei sunt caracterizati prin l = 3, m = -3,-2,-1,0,+1,+2, sau +3.

Orbitalii f

Fig. 1.5.

Reprezentarea   

orbitalilor d

Fig. 1.6.

Reprezentarea    orbitalilor f

1.4. Ocuparea cu electroni a orbitalilor atomici

Ocuparea cu electroni a orbitalilor atomici se face conform unor principii sau reguli, cunos­cute de obicei sub numele celor care le-au enuntat pentru prima oara.

Ocuparea cu electroni se face în ordinea crescânda a energiilor acestora. Stabilirea ordinii energetice a orbitalilor se face conform regulii lui Klecikovski sau regula sumei (n+l) minime. Conform acestei reguli, ordinea crescatoare a energiei orbitalilor este data de suma numerelor cuantice n + l; în caz de egalitate se ia în con­si­de­rare ordinea crescatoare a numarului cuantic principal n.

Principiul stabilitatii sau de constructie

Tabelul 1.2. Modul de calcul al sumei n+l

nl

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

5g

6s

n+l

Aplicând regula, se deduce sirul: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d... sirul reprezinta ordinea reala de ocupare cu electroni a orbitalilor.

Regula prezinta unele exceptii la elementele foarte grele, când ordinea energetica a orbitalilor se poate rearanja în urma ocu­pa­rii lor cu electroni.

Într-un atom nu pot exista doi sau mai multi electroni în aceeasi stare energetica, adica cu valori identice a celor patru numere cuantice n, l, m, si s. Un orbital atomic poate fi ocupat cu maximum doi electroni cu spin opus. Confirmarea experi­men­tala a principiului excluziunii a lui Pauli are la baza printre altele date spectrale si experientele lui Franck si Hertz.

Principiul excluziunii a lui Pauli

Prin notiunea de orbitali degenerati se întelege ca doi sau mai multi orbitali au aceeasi energie.

Ridicarea degenerarii înseamna ca, sub anumite influente, identitatea energetica consta­tata n starea funda­men­tala nu se mai pastreaza. Simbolul folosit pentru un orbital poate fi , simbol denumit si casuta cuantica.

Simbolizând electronul cu o sageata, conform principiu­lui lui Pauli ocuparea cu electroni a unui orbital se face astfel:

Fig.1.7.    Ocuparea cu electroni a unui orbital

1. Principiul multiplicitatii maxime (a numarului maxim de electroni necuplati). Conform acestui principiu, orbitalii de­ge­ne­rati se ocupa mai întâi, pe rând, cu câte un electron, si numai dupa ce fiecare orbital s-a ocupat cu câte un electron începe cuplarea lor. Deci electronii ocupa astfel orbitalii atomici încât numarul celor necuplati în orbitalii de aceeasi energie (acelasi n si l) sa fie maxim.

Regulile lui Hund

Pentru exemplificare, în figura 1.8 este prezentata    ocupa­rea cu electroni a unui subnivel p.

Fig.1.8. Ocuparea cu electroni a unui subnivel p

2. O alta regula a lui Hund stabileste ca semiocuparea subnive­lu­lui confera o stabilitate ridicata, fapt confirmat de valorile ridicate ale energiilor de ionizare ale elementelor care au aceasta structura. Ocuparea completa a subnivelului confera însa stabilitatea maxima ( v. gazele rare ).

Respingerile dintre electroni, importante în cazul atomilor grei, respingeri ce diminueaza atractia, nucleu - electron, deter­mi­na unele inversiuni observate în succesiunea unor subnivele de energie, ne mai respectându-se regula sumei n+l minime.

Încercând sa aprecieze cantitativ acest fenomen, Slater a introdus notiunea de constanta de ecranare s

Datorita ecranarilor, sarcina nucleara efectiva (cea pe care o "vede" un electron), este data de relatia:

În aceasta relatie Z este numarul atomic si reprezinta, de fapt, numarul de protoni din nucleu.

Valoarea constantei s se calculeaza pe baza unor reguli empirice enuntate de Slater. Inversarile datorate ecranarilor sunt valabile în general la toti atomii grei care-si completeaza nivelele d si f. Fenomenul este cunoscut sub numele de contractia orbitalilor atomici.

Uzual, formularea configuratiei electronice a atomilor elementelor se face indicând :

- stratul electronic cu ajutorul cifrelor 1, 2, 3,..., care reprezinta valoarea numarului cuantic principal n.

- substratul electronic cu ajutorul literelor s, p, d, f pentru l = 0, 1, 2, 3,.

- numarul electronilor din substrat cu ajutorul cifrelor 1, 2, 3, ... ca exponent la literele s, p, d, f, etc.

Frecvent, în notarea configuratiei electronice a atomilor, electronii din straturile interioare sunt omisi sau indicati prin simbolul gazului rar care precede elementul în sistemul periodic. O asemenea scriere scoate în evidenta electronii care dau de fapt proprietatile chimice ale elementelor si care participa la legaturi chimice.

De exemplu, configuratia electronica a fierului Fe, care are Z = 26, se poate nota 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s² sau, mai simplu, [Ar] 3d⁶ 4s².