Orbitales atómicos: qué son, tipos, hibridación, ejemplos

¿Qué son los orbitales atómicos?

Un orbital atómico se define como una región tridimensional alrededor del núcleo de un átomo, en la que es probable encontrar a un electrón. Al igual que las órbitas de los planetas, hay orbitales que son más pequeños y que están más cerca del núcleo, y otros que están más lejos.

Los orbitales atómicos están definidos por un conjunto de tres números cuánticos. Independientemente de estos números, en cada orbital caben solamente dos electrones que deben tener espines opuestos.

Recordemos que los átomos están formados por un núcleo de carga positiva que contiene protones y neutrones, rodeado por uno o más electrones. Estos últimos son partículas muy pequeñas con carga negativa, y giran alrededor del núcleo gracias a la atracción de las cargas opuestas.

Los electrones giran en torno al núcleo de manera similar a como los planetas giran en torno al Sol. Sin embargo, las “órbitas” de los electrones no son planas, ni están bien definidas como las de los planetas. Los electrones están organizados en esas regiones del espacio llamadas orbitales atómicos.

Tipos de orbitales atómicos

Los orbitales atómicos pueden ser orbitales atómicos puros u orbitales atómicos híbridos. Además, los orbitales atómicos puros pueden ser de distintos tipos.

Orbitales atómicos puros

Como su nombre lo sugiere, estos son los orbitales atómicos más simples. Todo átomo aislado posee un conjunto equivalente de orbitales atómicos puros o no combinados. Estos, a su vez, pueden ser de distintos tipos:

• Orbitales s: son orbitales de forma esférica y son los más penetrantes de todos los orbitales atómicos (es decir, los que ubican al electrón más cerca del núcleo la mayor parte del tiempo).
• Orbitales p: estos orbitales existen a partir del segundo nivel de energía. Son orbitales que poseen forma de dos lóbulos orientados a lo largo de uno de los ejes de coordenadas cartesianas. Existen en cada átomo y en cada nivel de energía tres orbitales p, que son los orbitales p_x, p_y y p_z.
• Orbitales d: son un conjunto de orbitales poco penetrantes con formas diversas y que existen a partir del tercer nivel de energía. En un mismo nivel de energía puede haber cinco orbitales d diferentes, que son el d_xy, d_xz, d_yz, d_x2-y2 y el d_z2.
• Orbitales f: son orbitales atómicos que solo existen a partir del cuarto nivel de energía. En cada nivel hay un máximo de siete orbitales tipo f.

Orbitales atómicos híbridos

Son los orbitales atómicos que resultan de la combinación de los orbitales atómicos puros. Su forma y orientación espacial depende de los orbitales que se están combinando. Algunos ejemplos de orbitales híbridos son los orbitales sp, sp², sp³, sp³d, sp³d², etc.

Hibridación de orbitales atómicos

La hibridación de orbitales atómicos es el proceso de combinación de orbitales atómicos puros para formar orbitales atómicos híbridos con la orientación adecuada para formar enlaces entre átomos.

Estos orbitales híbridos se representan con las letras de los orbitales puros que se mezclaron, con exponentes que indican el número de cada tipo de orbital puro que entró en la mezcla. Por ejemplo, un orbital híbrido sp³d está formado por un orbital s, tres p y uno d.

¿Por qué se forman los orbitales híbridos?

Según la teoría de enlace valencia, el enlace químico se forma cuando un orbital atómico de un átomo se solapa con el orbital atómico de otro para formar así un enlace covalente. Si el solapamiento es frontal, se forma un enlace tipo sigma, y si es lateral se forma un enlace pi.

Esto implica que, para que el enlace covalente se pueda formar, los orbitales atómicos deben poseer la orientación adecuada.

Sin embargo, esto no siempre es posible con los orbitales atómicos puros (s, p, d y f). Así que, según la teoría, los átomos combinan los orbitales atómicos para formar un conjunto de orbitales híbridos nuevos que sí tengan la orientación adecuada.

Formación de orbitales híbridos

La hibridación es similar a combinar vasos de jugos de distintas frutas.

Si combinamos 3 orbitales atómicos puros (tres vasos de jugos de frutas distintas), obtendremos siempre tres orbitales atómicos híbridos (tres vasos de mezcla).

Por otro lado, mientras más vasos de un tipo de jugo agreguemos a la mezcla, más se parecerá la mezcla a este tipo de jugo. De igual manera, mientras más orbitales atómicos de un tipo mezclemos, entonces más se parecerán los orbitales híbridos a estos orbitales puros.

Números cuánticos y orbitales atómicos

Los distintos orbitales atómicos corresponden a las soluciones matemáticas de la ecuación de Schrödinger. Estas soluciones están asociadas a un conjunto de números enteros denominados número cuánticos.

Un orbital atómico está definido por los tres primeros números cuánticos:

Número cuántico principal (n)

Este define el nivel de energía del orbital y, por lo tanto, la distancia promedio del electrón al núcleo. Es un número natural que va desde el 1 en adelante.

Número cuántico secundario o momento angular (l)

También llamado subnivel de energía, este determina la forma de un orbital atómico. Puede tener valores entre 0 y n-1 y determina el tipo de orbital atómico del que se trata:

• Si l = 0, entonces será un orbital tipo s
• Cuando l = 1, entonces será un orbital tipo p
• Si l = 2, entonces será un orbital tipo d
• Cuando l = 3, entonces será un orbital tipo f, etc.

El momento angular determina cuántos subniveles caben dentro de cada nivel principal de energía. Como para cada valor de n, l puede tener valores entre 0 y n-1, entonces el número de subniveles posibles será siempre igual a n.

Número cuántico de momento magnético (m_l)

Determina la orientación en el espacio del orbital atómico. Este puede adquirir valores enteros entre –l y +l (incluyendo al 0) y determina el número de orbitales atómicos dentro de cada subnivel.

Por ejemplo, en el subnivel p, que corresponde a l=1, hay tres orbitales, ya que m_l puede valer –1, 0 y +1 (correspondiente a los orbitales p_x, p_y y p_z).

Pongamos un ejemplo: la configuración electrónica de un átomo del elemento químico boro, con 5 electrones, es 1s²2s²2p_x¹: el orbital 1s contiene dos electrones, el 2s contiene dos más, y el orbital 2p_x contiene uno solo.

Otro ejemplo: la configuración electrónica del carbono, con seis electrones, tiene la configuración electrónica 1s²2s²2p_x¹2p_y¹, donde el orbital 1s tiene dos electrones, el 2s también y los dos últimos orbitales contienen un solo electrón.

Ejemplos de orbitales atómicos

Todo orbital atómico está determinado por una combinación particular de los tres primeros números cuánticos. Algunos ejemplos de orbitales atómicos y sus respectivos números cuánticos se presentan a continuación:

Referencias

1. Britannica, The Editors of Encyclopaedia (2020). Orbital | chemistry and physics. Tomado de britannica.com.
2. Byjus (2021). General Data Protection Regulation (GDPR) Guidelines BYJU’S. Tomado de byjus.com.
3. Libretexts – Truro School in Cornwall (2020). Atomic Orbitals. Tomado de chem.libretexts.org.