Objetivo de aprendizaje
- Determinar la configuración electrónica de los elementos e iones, identificando la relación entre las envolturas y subenvolturas electrónicas.
Puntos clave
- Si se aumenta la energía de un átomo, un electrón del mismo se excita. Para volver a su estado básico, el electrón libera energía. La energía de la luz liberada cuando un electrón baja de nivel energético es la misma que la diferencia de energía entre los dos niveles.
- Visto de forma sencilla, los electrones se disponen en envolturas alrededor del núcleo de un átomo. Los electrones más cercanos al núcleo tendrán la energía más baja. Los electrones más alejados del núcleo tendrán la energía más alta. La capa de electrones de un átomo puede albergar 2n2 electrones (donde n es el nivel de la capa).
- En un modelo más realista, los electrones se mueven en orbitales atómicos, o subcapas. Hay cuatro formas de orbitales diferentes: s, p, d y f. Dentro de cada cáscara, la subcáscara s está a una energía más baja que la p. Se utiliza un diagrama de orbitales para determinar la configuración de electrones de un átomo.
- Hay pautas para determinar la configuración de electrones de un átomo. Un electrón se moverá al orbital con menor energía. Cada orbital sólo puede albergar un par de electrones. Los electrones se separarán tanto como sea posible dentro de una cáscara.
Términos
- CuantificaciónProceso de aproximación de una señal continua por un conjunto de símbolos discretos o valores enteros.
- FrecuenciaEl número de ocurrencias de un evento repetitivo por unidad de tiempo.
Energía de los electrones en los orbitales atómicos
La estructura central de un átomo es el núcleo, que contiene protones y neutrones. Este núcleo está rodeado de electrones. Aunque todos estos electrones tienen la misma carga y la misma masa, cada electrón de un átomo tiene una cantidad diferente de energía. Los electrones con menor energía se encuentran más cerca del núcleo, donde la fuerza de atracción del núcleo cargado positivamente es mayor. Los electrones que tienen mayor energía se encuentran más lejos.
Cuantización de la energía
Cuando la energía de un átomo aumenta (por ejemplo, cuando se calienta una sustancia), la energía de los electrones del interior del átomo también aumenta, es decir, los electrones se excitan. Para que el electrón excitado vuelva a su energía original, o estado básico, necesita liberar energía. Una de las formas en que un electrón puede liberar energía es emitiendo luz. Cada elemento emite luz a una frecuencia (o color) específica al calentarse que corresponde a la energía de la excitación electrónica.
Es útil pensar en esto como si se subiera una escalera. Si no se levanta el pie lo suficiente, se tropezará con el escalón y se quedará atascado en el nivel del suelo. Hay que levantar el pie hasta la altura del escalón para seguir adelante. Lo mismo ocurre con los electrones y la cantidad de energía que pueden tener. Esta separación de los electrones en unidades de energía se llama cuantificación de la energía porque sólo hay ciertas cantidades de energía que puede tener un electrón en un átomo. La energía de la luz liberada cuando un electrón desciende de un nivel de energía superior a otro inferior es la misma que la diferencia de energía entre los dos niveles.
Capas de electrones
Comenzaremos con una forma muy sencilla de mostrar la disposición de los electrones alrededor de un átomo. Aquí, los electrones están dispuestos en niveles de energía, o cáscaras, alrededor del núcleo de un átomo. Los electrones que están en el primer nivel de energía (nivel de energía 1) son los más cercanos al núcleo y tendrán la energía más baja. Los electrones más alejados del núcleo tendrán mayor energía. La capa de electrones de un átomo puede albergar 2n2 electrones, donde n es el nivel de energía. Por ejemplo, la primera capa puede alojar 2 x (1)2 o 2 electrones. La segunda envoltura puede alojar 2 x (2)2, es decir, 8 electrones.
Como ejemplo, el flúor (F), tiene un número atómico de 9, lo que significa que un átomo neutro de flúor tiene 9 electrones. Los primeros 2 electrones se encuentran en el primer nivel de energía, y los otros 7 se encuentran en el segundo nivel de energía.
Orbitales atómicos
Aunque los electrones pueden ser representados simplemente como rodeando el núcleo en anillos, en realidad, los electrones se mueven a lo largo de caminos que son mucho más complicados. Estas trayectorias se denominan orbitales atómicos, o subcapas. Existen varias formas de orbitales -s, p, d y f- pero por ahora nos centraremos principalmente en los orbitales s y p. El primer nivel de energía contiene sólo un orbital s, el segundo nivel de energía contiene un orbital s y tres orbitales p, y el tercer nivel de energía contiene un orbital s, tres orbitales p y cinco orbitales d. Dentro de cada nivel de energía, el orbital s está a una energía menor que los orbitales p.
Un diagrama orbital ayuda a determinar la configuración electrónica de un elemento. La configuración electrónica de un elemento es la disposición de los electrones en las capas. Hay algunas pautas para calcular esta configuración:
- Cada orbital puede contener sólo dos electrones. Los electrones que se encuentran juntos en un orbital se denominan par de electrones.
- Un electrón siempre intentará entrar en el orbital de menor energía.
- Un electrón puede ocupar un orbital por sí solo, pero preferirá ocupar un orbital de menor energía con otro electrón antes de ocupar un orbital de mayor energía. En otras palabras, dentro de un nivel de energía, los electrones llenarán un orbital s antes de empezar a llenar orbitales p.
- La subcapa s puede contener 2 electrones.
- La subcapa p puede contener 6 electrones.
Las configuraciones de electrones se pueden utilizar para racionalizar las propiedades químicas tanto en química inorgánica como orgánica. También se utiliza para interpretar los espectros atómicos, el método utilizado para medir la energía de la luz emitida por los elementos y los compuestos.