Los orbitales son las áreas fuera del núcleo atómico donde los electrones son más propensos a residir. Se caracterizan por diferentes niveles de energía, formas y orientaciones tridimensionales.
La ubicación de los electrones se describe más generalmente por una capa o nivel de energía principal, luego por una subcapa dentro de cada capa, y finalmente, por orbitales individuales que se encuentran dentro de las subcapas. La primera capa está más cerca del núcleo, y sólo tiene una subcapa con un solo orbital esférico, llamado orbital 1s, que puede contener dos electrones. La siguiente capa contiene ocho electrones totales: dos en el orbital esférico de 2s y dos en cada uno de los tres orbitales de 2p en forma de mancuerna. En niveles de energía más altos, los orbitales más externos, ,los que se encuentran en las subcapasd y f— toman formas más complejas. Un total de 10 electrones pueden caber dentro de los cinco orbitales d, y 14 electrones totales encajan dentro de los siete orbitales f.
Los diagramas orbitales se pueden utilizar para visualizar la ubicación y los niveles de energía relativos de cada electrón en un átomo. Dentro de cada capa, los electrones tienen un nivel creciente de energía. Los electrones en la subcapa p tienen una energía algo mayor, seguidos por la subcapad y f si están presentes.
Hemos visto que los electrones en diferentes orbitales tienen diferentes niveles de energía. ¿Cómo sabemos que hay energía en los electrones en absoluto, y mucho menos que los electrones pueden tener diferentes cantidades de energía? En 1913, Niels Bohr fue capaz de determinar experimentalmente cuánta energía se ganó y perdió cuando los electrones cambiaron orbitales en un átomo de hidrógeno y otros iones con un solo electrón. Combinando los resultados de sus experimentos con el conocimiento previo de un núcleo cargado positivamente del trabajo de Ernest Rutherford, Bohr desarrolló el primer modelo de orbitales de electrones.
Cuando los electrones ganan energía, entran en un estado excitado y saltan a orbitales más altos. La energía se puede agregar a los electrones en forma de calor o luz, y cuando pierden esa energía rápidamente, se caen del orbital superior y emiten una partícula de luz llamada fotón. El color del fotón emitido corresponde a una cantidad específica de energía para que pueda ser cuantificado por un espectroscopio.
Bohr fue capaz de determinar la energía contenida en los principales niveles de energía, también conocidos como capas, calentando hidrógeno. La energía térmica adicional obligó al electrón a saltar desde el primer nivel de energía a niveles más altos. Bohr entonces midió la longitud de onda de la luz que se emitió cuando los átomos se enfriaron de nuevo.El modelo de Bohr de orbitales de electrones asumió que los electrones orbitaron el núcleo en trayectorias circulares fijas. Aunque sus experimentos eran precisos para el hidrógeno y los iones similares al hidrógeno con un solo electrón, no podía predecir las configuraciones de electrones de otros elementos. Tenía que haber factores adicionales que influyeron en la física de las partículas subatómicas.
En 1926, Erwin Schrodinger amplió el modelo de niveles de energía de Bohr y desarrolló el modelo de orbitales atómicos que todavía se acepta hoy en día. En cuenta varios otros descubrimientos sobre el comportamiento físico de los electrones que fueron hechos por los científicos a principios de la década de 1920. Su modelo mecánico cuántico predice con precisión las configuraciones de electrones de elementos con múltiples electrones. Un cambio fundamental en el modelo de Schrodinger es la suposición de que los electrones viajan en un movimiento de onda que se ve afectado por la carga positiva del núcleo. Debido a esto, los orbitales de los que hablamos hoy en día son áreas similares a las nubes donde es más probable que se encuentren electrones en lugar de caminos circulares fijos como Bohr propuso. Otra distinción crítica es la división de los niveles de energía de Bohr (capas) en categorías más pequeñas: subcapas y orbitales.
