Niveles de energía electrónica de los átomos - Parte 2

La distribución de electrones y protones en un átomo se puede imaginar así. Un átomo es como una pequeña colmena de abejas. La colmena en sí es el núcleo y los electrones son como abejas volando a su alrededor. De manera similar, los átomos están compuestos casi en un 90% de espacio vacío. ¿Porqué es eso? ¿Nos hemos preguntado alguna vez por qué los electrones se distribuyen en un espacio grande mientras que los protones están confinados en un espacio muy pequeño?.

En el caso de los protones, existe una fuerza nuclear de atracción entre ellos que actúa sólo a corta distancia y mantiene unidos a los protones. Pero en el caso de los electrones, no existe tal fuerza nuclear de atracción. Existe únicamente una fuerza electrostática de repulsión entre ellos. Es por eso que los electrones se distribuyen a grandes distancias del núcleo.

Esta distribución se puede entender mejor introduciendo el término niveles de energía. Hay cuatro niveles de energía principales denominados capa K, capa L, capa M y capa N. La capa K tiene una capacidad de retención de electrones de 2. La carcasa L tiene una capacidad de retención de 8. La carcasa M tiene una capacidad de retención de 18 y la carcasa N de 32. Cuanto más cerca esté un electrón del núcleo, menos energía tendrá. Cuanto más lejos esté del núcleo mayor energía tendrá. Cada capa se divide a su vez en subcapas. Las subcapas están formadas por orbitales.

A continuación se muestra una ilustración de capas y subcapas. Como podemos ver, la capa K es la más cercana al núcleo y consta únicamente de una subcapa s. La segunda capa, que es la capa L, consta de una subcapa s y una subcapa p. La capa M consta de subcapas s, p y d. La capa N consta de las subcapas s, p, d y f. Los electrones se distribuyen en una secuencia primero en el nivel de energía más bajo y luego en el nivel de energía más alto.

Las subcapas s, p, d y f constan además de orbitales. Entendamos el término orbital. Los electrones en un átomo se mueven a tanta velocidad en un área tan pequeña que no es posible encontrar la posición exacta de los electrones. Un orbital es un espacio alrededor del átomo donde la probabilidad de encontrar el electrón es máxima. Por ejemplo, la ilustración aquí muestra que el electrón probablemente se puede encontrar en el área esférica alrededor del núcleo. Esta probabilidad de presencia de un electrón en un área específica se denomina densidad electrónica. ¿Por qué lo llamamos densidad electrónica y no electrón? Debido a que no estamos seguros de la posición de un electrón en un instante específico, llamamos a esa área orbital y al electrón en esa área densidad electrónica.

Aquí se muestra un desglose de capas, subcapas y orbitales. La capa K tiene una subcapa llamada s. La capa L tiene dos subcapas s y p. La capa M tiene tres subcapas s, p y d. La capa N tiene cuatro subcapas: s, p, d y f. Cada orbital puede contener un máximo de 2 electrones.

Ahora discutiremos las formas de los orbitales. El orbital S tiene forma esférica. Esto significa que la densidad de electrones tiene forma de esfera en esta órbita alrededor del núcleo.

Los orbitales P tienen forma de mancuerna. En esta órbita la densidad de electrones se presenta en forma de pares de lóbulos en lados opuestos del núcleo. Los orbitales P constan del orbital Px que está alineado en el eje x, Pyorbital que está alineado en el eje Y y orbital Pz que está alineado en el eje Z.

La subcapa d consta de 5 orbitales. Aquí se ilustran los orbitales de la subcapa d. Tienen una geometría compleja.

La subcapa f consta de 7 orbitales. Están ilustrados aquí. Tienen una geometría muy compleja.

Se introdujo un nuevo conjunto de números para describir la presencia de un electrón específico, en un orbital específico, de una subcapa específica, de una capa específica. Por ejemplo, los números [2,1,-1,-1/2]. 2 significa que el electrón está en la segunda capa, que es la capa M. 1 significa que el electrón está en la subcapa p de la capa M. -1 significa que el electrón está en el orbital Px de la subcapa P de la capa M. -1/2 representa el giro antihorario del electrón. Un poco confuso ¿verdad? Estudiemos estos números cuánticos en detalle individualmente para ver cómo describen al electrón.

Hay 4 números cuánticos. El número cuántico principal representado por n describe la capa principal de un átomo. Describe la distancia del electrón al núcleo. n puede ser 1,2,3 o 4. n=1 representa la capa K. n=2 representa la capa L. n=3 representa la capa M. n=4 representa la capa N. También podemos encontrar el número de orbitales en una capa dada mediante la fórmula n². Por ejemplo, para la segunda capa n=2 y el número de orbitales será 2², que es 4, denominados s, px, py y pz.

El segundo número cuántico es el número cuántico azimutal representado por l. l puede ser 0,1,2,3. Eso es l=n-1. l es siempre 1 dígito menos que n. El número cuántico azimutal describe las formas de las subcapas. l=0 describe la subcapa s con forma esférica. l=1 describe la subcapa p con forma de mancuerna. l=2 describe la subcapa d. l=3 describe la subcapa f.

l siempre empieza desde la capa n=l+1. Por ejemplo, l=1, que es el orbital p, comienza desde n=1 + 1, que es 2. Por lo tanto, la subcapa p comienza desde la segunda capa. De manera similar, d = 2, que es el orbital d, comienza desde n = 2 + 1, que es 3. Por lo tanto, la subcapa d comienza desde la tercera capa. l también se conoce como número cuántico angular orbital.

El tercer número cuántico es el número cuántico magnético representado por ml. Especifica la orientación de un orbital que tiene una energía y forma específicas en el espacio. Nos informa sobre el número de orbitales en una subcapa. Para un valor dado de l podemos encontrar el número de orbitales como ml = 2l + 1. Por ejemplo, para el orbital d l = 2, entonces ml = 2×2 + 1, que son 5 orbitales. Entonces la subcapa d tiene 5 orbitales orientados de forma diferente en el espacio. Respecto a la orientación del orbital, para un valor dado del número cuántico azimutal l el valor de ml varía de -l a +l, incluido 0. Por ejemplo, para la subcapa p l = 1 y el valor de ml será -1,0,+1. Aquí se dan los posibles valores de ml para un valor dado de l.

Aquí se da una representación del número cuántico magnético para el orbital p. Para la subcapa p, l = 1, y el valor de ml será -1,0,+1.

El cuarto número cuántico es el número cuántico de espín, representado por ms. Debido a que los electrones en un orbital tienen carga negativa y giran alrededor de su propio eje, se produce un campo magnético. Entonces, en un orbital, si dos electrones giran en la misma dirección, el campo magnético resultante se repelerá entre sí. Por lo tanto, el átomo se volverá inestable. Para evitar esta inestabilidad, los electrones en una órbita giran en direcciones opuestas entre sí y sus campos magnéticos resultantes se cancelan entre sí. Un electrón gira alrededor de su propio eje en el sentido de las agujas del reloj y el otro gira en el sentido contrario a las agujas del reloj. -1/2 se asigna al giro del electrón en el sentido de las agujas del reloj y +1/2 se asigna al giro en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Ahora, si escribimos algunos números como [2,1,-1,-1/2] sería mucho más claro entender estos números y lo que representan. El primero es el número cuántico principal. El segundo es el número cuántico azimutal. El tercero es el número cuántico magnético. El cuarto es el número cuántico de espín.