Nel 1932, il premio Nobel per la chimica Robert Mulliken introduce per la prima volta il termine orbitale inteso come abbreviazione di funzione d’onda orbitale mono-elettronica. In quanto tale, come affermato da un noto divulgatore e chimico italiano, il Prof.re Paolo Mirone: “Il termine orbitale si porta dietro la natura quantistica e quindi controintuitiva della funzione d’onda”.
Dal momento in cui questi costrutti matematici vennero legittimati all’interno dei libri di testo scolastici che si occupano di scienze, è facile incappare in qualche loro definizione errata, la quale, distorcendone il significato reale, ne impedisce una vera e propria comprensione. Anzi! Spesso la distorsione è talmente subdola e non evidente che non solo passa inosservata, ma è poi più difficile da corregger. La differenza in termini fisici è grande, ma nel parlato è minima.
In questo articolo vedremo quelli che sono gli errori coi quali è più facile scontrarsi quando si trattano gli orbitali, e quali potrebbero essere, invece, delle corrette alternative 🦾
L’orbitale elettronico: il grande incompreso
E’ molto facile interpretare erroneamente informazioni su soggetti coi quali non abbiamo riscontro diretto nella realtà. Ad esempio, possiamo pensare di conoscere molto bene gli elefanti, perché li abbiamo visti sui giornali e sulle tv fin da piccoli; tanto da essere in grado di stimarne correttamente il peso (che per adulto si aggira dalle 3 alle 6 tonnellate). Eppure potremmo avere difficoltà nell’immaginarne le dimensioni. Se ci capitasse di averlo a nostro fianco in qualche viaggio, potremmo rimanerne sorpresi. E’ naturale! Normalmente in città non ne passano tanti. 🐘
Allo stesso modo è ancora più difficile immaginare soggetti non comuni, che fanno parte di teorie assai meno comuni di dominio prettamente matematico.
Quando si tratta un orbitale, occorre sempre tenere a mente che con ciò si intende un costrutto matematico e non un fenomeno fisico vero e proprio. Come tale, diversamente da quello che si può pensare, l’orbitale non può essere osservato direttamente. Infatti, come ci ricorda Eric Scerri, docente americano alla UCLA: “L’orbitale di per sé è inosservabile anche solo in linea di principio“.
Sono le nubi elettroniche formate da tutti gli elettroni che compongono l’atomo isolato, la molecola o la cella elementare di un cristallo ad essere suscettibili di osservazione diretta e non gli orbitali.
Gli errori più diffusi che riguardano l’orbitale elettronico
Se c’è una cosa della meccanica quantistica che tutti hanno capito è che non si capisce! La meccanica quantistica rimane un mistero anche per gli addetti ai lavori, figuriamoci per gli studenti. Di sicuro, nel loro percorso di apprendimento, questi sarebbero aiutati moltissimo se termini quali orbitale elettronico e funzione d’onda non venissero invocati frettolosamente ogni due per tre, senza giustificata causa.
Vediamo, qui di seguito, tre esempi di errori comuni che chiunque abbia avuto a che fare col mondo quantistico conosce già.
La sovrapposizione col concetto di configurazione elettronica
L’orbitale rappresenta la regione dello spazio che si trova attorno al nucleo in cui si ha la maggior probabilità di trovare l'elettrone.
FALSO!
Confondere i concetti di orbitale e nube elettronica è sicuramente l’errore più comune che si ripresenta, anche, all’interno di libri e riviste più o meno specializzate! L’orbitale descrive in termini quantistici il moto dell’elettrone attorno al nucleo ma non rappresenta una entità fisica reale che è possibile osservare.
Il termine orbitale è sinonimo di funzione d’onda orbitale cioè la soluzione dell’equazione d’onda di Schroedinger per l’atomo di idrogeno, atomo che ha un solo elettrone. Con ciò intendo che non è possibile arrivare ad una soluzione esatta per atomi che non siano mono-elettronici e per questo, tutti gli altri orbitali non sono che una più o meno valida approssimazione della soluzione alla equazione di Schroedinger.
La funzione d’onda è una entità matematica che ha carattere di ampiezza d’onda. E’ fatta di numeri complessi e quindi immaginari. Il suo quadrato, invece, che è sempre reale è proporzionale alla probabilità di trovare l’elettrone nella posizione considerata.
Possiamo quindi pensare al modello atomico ad orbitali come a quell’insieme di numeri quantici i quali, obbedendo alle regole quantistiche, sono in grado di definire lo stato energetico di ciascun elettrone; e all’orbitale come ad un’onda di ampiezza di probabilità il cui quadrato fornisce una densità di probabilità.
Orbitale e nube di densità elettronica non sono sinonimi. Non possiamo osservare direttamente gli orbitali, che sono costrutti tecnici ai fini teorici, ma possiamo osservare la distribuzione della nube elettronica cioè la sua configurazione elettronica.
L’idea di una ben definita forma osservabile degli orbitali s,p,d,f
Gli unici orbitali ammessi (di tipo s,p,d,f..) hanno forme, energie ed orientamenti diversi che indicano dove e come gli elettroni sono più probabilmente distribuiti.
FALSO!
In questo esempio l’errore si ricollega fortemente al primo, in quanto si sottintende l’idea che gli orbitali rappresentino delle regioni di spazio dalle forme ben definite.
Assenza di riferimenti a processi di combinazione lineare di ampiezze d’onda per interferenza
Gli orbitali ibridi sono orbitali atomici speciali che si formano con un processo chiamato ibridizzazione. Nella ibridizzazione sp, ad esempio, gli orbitali s e p si fondono redistribuendosi in una forma tetraedrica composta di quattro lobi uguali
FALSO!
Anche in questo caso gli orbitali ibridi non rappresentano qualcosa che esiste in natura. Sono costrutti matematici utili, in accordo con le osservazioni reali di molecole, che presentano angoli di legame ed energie di legame altrimenti non giustificabili da altre teorie.
Rimando col link seguente al sunto della relazione tenutasi a Torino durante il Congresso Nazionale della SCI del 2003 da P. Mirone: Gli orbitali sono realmente necessari nell’insegnamento della chimica di base? al quale mi sono fortemente ispirata nella stesura di questo articolo. Alla prossima!