Imagina un átomo: claro está, es probable que nunca hayas visto uno pues son muy, muy pequeños. Por ejemplo, el grosor de un trozo de papel de impresora normal, ¿cuántos átomos de grosor crees que tiene?: ¿mil?, ¿cincuenta mil?, ¿doscientos mil? La respuesta es: un millón. Sí, de verdad: un millón de átomos tienen el mismo grosor que una hoja de papel. De hecho, harían falta cien millones de átomos para formar una línea de solo un centímetro de longitud.
Un átomo, como recordarás de Estructura Atómica, contiene un núcleo lleno de protones y neutrones. Este núcleo es extremadamente pequeño y extremadamente pesado.
Para que te hagas una idea: si nuestro átomo tuviera el tamaño de un estadio de fútbol, el núcleo tendría únicamente el tamaño de una canica.
La mayor parte de lo que hay en el átomo es espacio vacío; pero, nuestro átomo también contiene electrones, que orbitan alrededor del núcleo, en lo que se conoce como capa electrónica. Estas capas de electrones son una parte importante de la configuración de los electrones y de la estructura atómica: desempeñan un papel en la determinación de la reactividad de un átomo o un ion. ¿Pero, qué son exactamente?
Las capas electrónicas son trayectorias orbitales que siguen los electrones alrededor del núcleo de un átomo. También se conocen como niveles de energía.
A cada capa de electrones se le asigna un número, según su distancia del núcleo; este es llamado número cuántico principal (n). Los números cuánticos principales empiezan en 1 y aumentan en 1, cada vez, de modo que los cuatro primeros niveles de energía tienen los números cuánticos principales 1, 2, 3 y 4, respectivamente. Cuanto mayor sea el número cuántico principal, mayor será el nivel de energía de la envoltura y más alejada estará del núcleo.
Las capas de mayor energía también pueden contener más electrones. La primera capa solo puede contener dos electrones; pero, la segunda, ocho y la tercera, dieciocho. La regla general para el número de electrones que puede contener una capa es 2n2, donde n es el número cuántico principal de la capa. Por ejemplo, la segunda envoltura puede contener electrones.
¿Qué son las subcapas de los electrones?
Las capas de los electrones se dividen en subcapas más pequeñas que, a su vez, contienen orbitales. Exploraremos las subcapas, antes de pasar a los orbitales.
Tipos de subcapas
Cada nivel de energía —que, como recordarás, es otro término para referirse a una capa de electrones— contiene un cierto número de subniveles. Estos también se conocen como subcapas. Puedes pensar en las subcapas como mini divisiones dentro de cada capa o nivel de energía. Los cuatro primeros tipos de subcapas son s, p, d y f. En esta lección solo veremos las primeras tres.
Sin embargo, no todas las capas contienen cada tipo de subcapas.
Por ejemplo:
- La capa más cercana al núcleo con n = 1 solo contiene una subcapa s. A esta subcapa la llamamos 1s.
- La segunda capa contiene las subcapas 2s y 2p.
- La tercera capa contiene 3s, 3p y también 3d.
Niveles de energía de las subcapas
Sabemos que cada capa de electrones tiene su propio nivel de energía. A medida que aumenta el número cuántico principal, la capa aumenta su nivel de energía. Del mismo modo, cada una de las subcapas dentro de una capa tiene también un nivel de energía diferente. La subcapa s tiene el nivel de energía más bajo, luego p, luego d y luego f. Pero, debes recordar que todas las subcapas de una capa de electrones tienen un nivel de energía más bajo que las subcapas de una capa de electrones con un número cuántico principal más alto.
Esto puede sonar un poco confuso; sin embargo, simplemente significa que todas las subcapas de la capa energética 2, por ejemplo, tienen un nivel de energía más bajo que las de la capa 3. Ahora bien, solo hay una excepción: la subcapa 3d tiene un nivel de energía más alto que la 4s, a pesar de estar en una capa con un número cuántico principal más bajo.
La probabilidad de encontrar un electrón
Cada subcapa contiene orbitales. ¿Qué es un orbital?
Los orbitales se definen, concretamente, como las regiones del espacio en las que hay una probabilidad del 95% de encontrar al electrón.
Bueno, según el principio de incertidumbre de Heisenberg, es imposible saber exactamente en qué lugar del espacio se encuentra un electrón y hacia dónde se dirige en un momento dado. Esto parece un poco confuso y no es muy útil para los científicos; pero, al menos, podemos hacer predicciones sobre dónde es más probable que se encuentre un electrón en cualquier momento, observando y trazando su ubicación una y otra vez para hacer un diagrama aproximado. Aunque no sabemos con certeza a dónde va, nos da una idea aproximada de dónde estará probablemente el electrón, la mayor parte del tiempo. A estas zonas se le denomina orbitales.
Ecuación de Schrödinger
Los electrones no son partículas, realmente. A veces actúan como partículas y a veces como ondas; por ejemplo, como ondas de luz. Todo depende de si se les observa o no.
Esto forma parte de un campo llamado mecánica cuántica. En 1925, Erwin Schrödinger ideó una ecuación que permitía predecir la ubicación y la energía de un electrón, basándose en su comportamiento como onda. Esta ecuación le ayudó a recibir el premio Nobel de física en 1933, por el descubrimiento de los orbitales.
La ecuación de Schrödinger es . Parece fácil, ¿verdad? La ecuación en sí es mucho más compleja. Además, en la época de Schrödinger no había calculadoras, entonces el cálculo de la probabilidad era muy extenso. Aun así, solo nos da la solución exacta para sistemas concretos, como el ion y átomo de hidrógeno. Nos permite calcular dónde está el electrón en un momento determinado; pero, como sabrás por el principio de incertidumbre de Heisenberg, solo se puede calcular la velocidad a la que va el electrón o donde está en un momento determinado, nunca los dos a la vez.
Diagramas de los orbitales y zonas de densidad electrónica
Los orbitales tienen formas diferentes, según su subcapa:
- Los orbitales s son esféricos y tienen una única zona de densidad electrónica.
- Los orbitales p son una figura de ocho, por lo que tienen dos zonas de densidad electrónica.
- Mientras que los orbitales d pueden tener una gran variedad de formas, con entre 3 a 5 densidades electrónicas.
| Orbital | Número de densidades electrónicas | Forma |
| s | 1 | Esférica |
| p | 2 | Figura de ocho |
| d | 3, 4 o 5 | Variable |
| f | 7 | |
Tabla 1: Orbitales, densidades y formas
Orientación espacial
Veamos el hidrógeno: recordarás que el hidrógeno tiene un electrón (ver Estructura atómica) y, si trazas la ubicación de este electrón una y otra vez, acabarás teniendo un esquema parecido a este:
Conocemos esta región como el orbital de la subcapa 1s. Como puedes ver, este orbital es aproximadamente esférico y la densidad electrónica está en los 3 ejes del espacio. Mientras que, si nos fijamos en el orbital p, vemos que la densidad electrónica solo está en 2 ejes.
Fig. 6: En el orbital pxy hay densidad electrónica en los ejes x e y.
Número de electrones
Todos los orbitales pueden contener un máximo de 2 electrones —pueden tener menos de 2; pero, definitivamente, no pueden tener más de 2—. Las diferentes subcapas también tienen diferentes números de orbitales, lo que influye en el número de electrones que pueden contener. Las subcapas s solo tienen un orbital, mientras que las subcapas p tienen tres y la subcapas d tienen cinco. Esto significa que las subcapas s pueden tener como máximo dos electrones, las p pueden tener seis y las d pueden tener diez. Esto se muestra a continuación:
| Nivel de energía principal (capa) | 1 | 2 | 3 |
Subcapa | s | s | p | s | p | d |
Número de orbitales | 1 | 1 | 3 | 1 | 3 | 5 |
Número de electrones en subcapa | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 10 |
Número de electrones en capa | 2 | 8 | 18 |
Tabla 2. Número de electrones de cada subcapa.
No es necesario que vayas más allá de esto para bachillerato; pero, quizá te interese saber que la subcapa f tiene siete orbitales, por lo que pueden contener hasta 14 electrones.
Espín de los electrones
Los electrones de un orbital deben tener espines opuestos. El espín es una propiedad de los electrones que puede llevarlos hacia arriba o hacia abajo. En un orbital puede haber, como máximo, un electrón con espín hacia arriba y otro con espín hacia abajo.
Energía orbital
Los orbitales de una misma subcapa tienen todos la misma energía. Esto significa, por ejemplo, que los 10 electrones de la subcapa 3d tienen la misma energía entre sí; y los dos electrones del 2s tienen la misma energía entre sí.
El siguiente diagrama reúne lo que sabemos sobre capas electrónicas, subcapas, orbitales y niveles de energía, para mostrar las cantidades y energías de los orbitales hasta el 4p.
Configuración de los electrones
Los electrones llenan capas, subcapas y orbitales en un orden determinado. Son bastante cuadriculados, en realidad: les gusta seguir ciertas reglas. Echa un vistazo a Configuración de los electrones para saber más sobre cómo se disponen exactamente los electrones en un átomo. Pero, por ahora, debes saber que la configuración de los electrones de un átomo determina su reactividad y sus propiedades.
Orbitales - Puntos clave
- Los electrones se organizan en capas, también conocidas como niveles de energía.
- Cada capa tiene un número cuántico principal.
- Las capas con un número cuántico principal más alto están más alejadas del núcleo y tienen un nivel de energía más alto.
- Las capas de los electrones se dividen en subniveles llamados subcapas. Estas también varían en su nivel de energía.
- Las subcapas contienen un número diferente de orbitales, que son regiones del espacio en las que puede encontrarse un electrón el 95% de las veces.
- Los orbitales solo pueden contener un máximo de dos electrones y tienen formas diferentes.
- Los electrones llenan las capas, las subcapas y los orbitales en un orden determinado, conocido como la configuración electrónica de un elemento. Esto determina las propiedades y la reactividad de un átomo.
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