Sobre orbitais atômicos: quais são as diferenças entre os diferentes orbitais (s, p, d…)? E entre mesmo orbitais de camadas diferentes (ex. 1s, 2s, 3s)?

Passo 1

O enunciado pede duas coisas:
1. Quais são as diferenças entre orbitais de tipo distinto ( s, p, d, ···).
2. Quais são as diferenças entre orbitais do mesmo tipo, mas em camadas diferentes (por exemplo, 1s versus 2s versus 3s).
Para responder, vamos recorrer aos números quânticos—principal n, azimutal l e magnético ml—e ao que eles significam para forma, nós (zeros da função de onda), energia e tamanho do orbital.

Passo 2

Diferenças entre orbitais s, p, d, ···
  • O número quântico azimutal l define o “tipo” de orbital:
    • l=0 to orbital s
    • l=1 to orbital p
    • l=2 to orbital d
      ···
  • Forma e nós angulares:
    • Orbitais s são esféricos (nenhum nó angular).
    • Orbitais p têm forma de haltere, com um nó angular (plano) onde a densidade é zero.
    • Orbitais d têm formas em trevo ou anel, com dois nós angulares.
  • Orientação no espaço: cada subshell comporta 2l+1 orbitais degenerados em átomos hidrogenoides (por exemplo, três orientações para p: px, py, pz).
  • Degenerescência e energia em átomos multieletrônicos: em átomos reais, orbitais com mesmo n+l tendem a ter energias semelhantes (Regra de Madelung), e o grau de penetração e blindagem também altera a ordem relativa entre, por exemplo, 4s e 3d.

Passo 3

Diferenças entre 1s, 2s, 3s, ··· (mesmo l=0, mas n varia)
  • O número quântico principal n controla energia, tamanho e número de nós radiais: nós radiais = n - l - 1 ó
    • Para 1s: n=1, sem nenhum nó radial.
    • Para 2s: n=2, um nó radial (aparece como um anel onde a densidade cai a zero).
    • Para 3s: n=3, dois nós radiais, e assim por diante.
  • Tamanho do orbital: à medida que n cresce, aumenta o raio médio do orbital (ele “se espalha” mais longe do núcleo).
  • Energia: orbitais com maior n são menos ligados (energia menos negativa).
  • Penetração e blindagem: orbitais de ordem mais alta (ex.: 3s) penetram menos junto ao núcleo e sofrem maior blindagem pelos elétrons internos, elevando um pouco sua energia em relação a orbitais de mesmo n e l mais penetrantes.

Resposta

Orbitais de tipos diferentes ( s,p,d,ldots) distinguem-se pelo número quântico azimutal l, que fixa a forma, o número de nós angulares e quantas orientações ( 2l+1) existem. Em átomos multieletrônicos, policiais de energia seguem basicamente a “regra de Madelung” ( n+l) e a penetração/blindagem.
Já orbitais do mesmo tipo em camadas diferentes ( 1s, 2s, 3s, ···) diferenciam-se pelo número quântico principal n:
– o número de nós radiais (n-l-1) cresce,
– o raio médio e o volume do orbital aumentam,
– a energia torna-se menos negativa (menos ligado),
– e a capacidade de penetração junto ao núcleo diminui, aumentando a blindagem pelos elétrons internos.

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