Electrones y Configuración Electrónica

Cada elemento se caracteriza por un número atómico Z, el cual es igual al número de protones en su núcleo. Un átomo neutro tiene igual número de protones, los cuales tienen carga positiva, y de electrones, los cuales tienen carga negativa. Desde el momento de su descubrimiento, en 1887, se pensó que los electrones eran partículas, pero en 1924 el físico francés Louis de Broglie sugirió que también tenían comportamiento de onda.

Dos años después, Erwin Schrödinger dio el siguiente paso y calculó la energía de un electrón en un átomo de hidrógeno usando ecuaciones que trataban al electrón como si fuera una onda. En lugar de una sola energía, Schrödinger obtuvo una serie de niveles de energía, cada uno de los cuales correspondía a una descripción matemática diferente de la onda electrónica. Estas descripciones matemáticas se llaman funciones de onda y se simbolizan con la letra griega Ψ (psi).

De acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, no se puede determinar con exactitud dónde está un electrón, pero sí se puede determinar dónde es más probable que esté. La probabilidad de encontrar un electrón en un punto particular en relación con el núcleo de un átomo está dada por el cuadrado de la función de onda Ψ2 (psi al cuadrado) en ese punto.
Átomos, Electrones, y Configuración Electrónica

La figura ilustra la probabilidad de encontrar un electrón en varios puntos en el estado de menor energía (más estable) de un átomo de hidrógeno. Cuanto más oscuro es el color en una región, será mayor la probabilidad. La probabilidad de encontrar un electrón en un punto particular es mayor cerca del núcleo y disminuye con el aumento de la distancia del núcleo, pero nunca se vuelve cero. Esto se describe como una “nube electrónica” para hacer hincapié sobre la naturaleza extendida de la probabilidad del electrón. Sin embargo, se debe ser cuidadoso. La “nube electrónica” de un átomo de hidrógeno, aunque se dibuje como una serie de muchos puntos, representa sólo un electrón.

Las funciones de onda también se conocen como orbitales. Por conveniencia, los químicos usan el término “orbital” de varias formas. Con frecuencia se dice que un dibujo como el de la figura anterior representa un orbital. Los orbitales se describen al especificar su tamaño, forma y propiedades direccionales. Los que son simétricos en forma esférica, como el de la figura anterior, se llaman orbitales s. La letra s es precedida por el número cuántico principal n (n = 1, 2, 3, etc.), el cual especifica el nivel y se relaciona con la energía del orbital. Es probable que un electrón en un orbital 1s se encuentre más cerca del núcleo, tenga menos energía y se sostenga con más fuerza que un electrón en un orbital 2s.
Átomos, Electrones, y Configuración Electrónica

En lugar de representar los orbitales con distribuciones de probabilidad, es más común representarlos por sus contornos de superficie, como se muestra en la figura, para los orbitales 1s y 2s. El contorno de superficie encierra la región donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta, del orden de 90-95%. Al igual que el gráfico de distribución de probabilidad del que se deriva, una ilustración de un contorno de superficie, por lo general, se describe como el dibujo de un orbital.

Un átomo de hidrógeno (Z = 1) tiene un electrón; un átomo de helio (Z = 2) tiene dos.El electrón único del hidrógeno ocupa un orbital 1s, al igual que los dos electrones de helio. Sus configuraciones electrónicas se escriben como:

Hidrogeno: 1s1

Helio : 1s2

Además de tener carga negativa, los electrones poseen la propiedad de espín. El número cuántico de espín de un electrón puede tener un valor ya sea de +1/2 o -1/2 . De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, dos electrones pueden ocupar el mismo orbital sólo cuando tienen espines opuestos, o espines “apareados”. Por esta razón, ningún orbital puede contener más de dos electrones. Debido a que dos electrones llenan el orbital 1s, el tercer electrón en el litio (Z = 3) debe ocupar un orbital de mayor energía. Después del orbital 1s, el siguiente de mayor energía es el orbital 2s. Por consiguiente, el tercer electrón en el litio ocupa el orbital 2s, y la configuración electrónica del litio es :

Litio: 1s2 2s1

El periodo (o fila) de la tabla periódica en que aparece un elemento corresponde al número cuántico principal más alto en el que hay un orbital ocupado (n = 1 en el caso del hidrógeno y el helio). El hidrógeno y el helio son elementos de la primera fila; el litio (n = 2) es un elemento de la segunda fila. En la tabla se muestran las configuraciones electrónicas de los primeros 12 elementos, de hidrógeno a magnesio. Observe que, en el llenado de los orbitales 2p, cada uno se ocupa por un solo electrón antes que cualquiera se ocupe en forma doble. Este principio general para los orbitales de la misma energía se conoce como regla de Hund.

Átomos, Electrones, y Configuración Electrónica

Con frecuencia es conveniente hablar de los electrones de valencia de un átomo. Éstos son los electrones externos, aquellos que tienen más probabilidad de estar implicados en enlaces y reacciones químicos. Para los elementos de la segunda fila éstos son los electrones 2s y 2p. Debido a que están implicados cuatro orbitales (2s, 2px , 2py , 2pz), el número máximo de electrones en la capa de valencia de cualquier elemento de la segunda fila es 8. El neón, con todos sus orbitales 2s y 2p ocupados doblemente, tiene ocho electrones de valencia y completa la segunda fila de la tabla periódica. Para los elementos del grupo principal, el número de electrones de valencia es igual al número de su grupo en la tabla periódica.

El neón, en el segundo periodo, y el argón, en el tercero, tienen ocho electrones en su capa de valencia; se dice que tienen un octeto completo de electrones. El helio, el neón y el argón pertenecen a la clase de elementos conocida como gases nobles o gases raros. Los gases nobles se caracterizan por tener configuración electrónica de “capa completa” estable en extremo y son muy poco reactivos.

La estructura determina las propiedades y las propiedades de los átomos dependen de la estructura atómica. Todos los protones de un elemento están en su núcleo, pero los electrones del elemento están distribuidos en orbitales de diferente energía y a distancias variables del núcleo. Cuando se desea entender cómo se comporta un elemento, más que cualquier otra cosa, se observa su configuración electrónica.

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