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Un átomo, como recordarás de Partículas Fundamentales, contiene un núcleo lleno de protones y neutrones. Este núcleo es extremadamente pequeño y extremadamente pesado. Si nuestro átomo tuviera el tamaño de un estadio de fútbol, el núcleo sólo tendría el tamaño de una canica. La mayor parte de lo que queda en el átomo es espacio vacío, pero nuestro átomo también contiene electrones, que orbitan alrededor del núcleo en unas cosas conocidas como envolturas. Estas envolturas de electrones son una parte importante de la configuración electrónica y de la estructura atómica, y desempeñan un papel en la determinación de la reactividad de un átomo o ion. Pero, ¿qué son exactamente?
Las envolturas deelectrones son trayectorias orbitales que siguen los electrones alrededor del núcleo de un átomo. También se conocen como niveles de energía.
A cada envoltura de electrones se le asigna un número en función de su distancia al núcleo, denominado 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 energético de la envoltura y más alejada estará del núcleo.
Las capas de mayor energía también pueden contener más electrones. La primera envoltura sólo puede contener dos electrones, pero la segunda ocho y la tercera dieciocho. La regla general para el número de electrones que puede contener una envoltura es 
, donde n es el número cuántico principal de la envoltura. Por ejemplo, la segunda envoltura puede contener 
electrones.
Fig. 1 - Diagrama que muestra cómo se relacionan los números cuánticos con la distancia al núcleo. A medida que aumenta su número cuántico, las envolturas electrónicas se alejan más del núcleo y pueden contener más electrones.
¿Qué son las subcubiertas de electrones?
Las envolturas de electrones se dividen en subenvolturas más pequeñas, que a su vez contienen orbitales. Primero exploraremos las subcubiertas antes de pasar a los orbitales.
Tipos de subcubiertas
Cada nivel de energía, que como recordarás no es más que otro término para designar una envoltura de electrones, contiene un determinado número de subniveles. También se denominan subcubiertas. Puedes considerar las subcáscaras como minidivisiones dentro de cada cáscara o nivel energético. Los cuatro primeros tipos de subcáscaras son s, p, d y f.
Sin embargo, no todas las cáscaras contienen cada tipo de subcáscara. Por ejemplo, la cáscara más cercana al núcleo con n = 1 sólo contiene una subcáscara s. A esta subcáscara la llamamos 1s. La segunda cáscara contiene las subcáscaras 2s y 2p, mientras que la tercera contiene 3s, 3p y también 3d.
Niveles de energía de las subcáscaras
Sabemos que cada envoltura de electrones tiene su propio nivel de energía. A medida que aumenta el número cuántico principal, la cáscara aumenta de nivel energético. Del mismo modo, cada una de las subcáscaras dentro de una cáscara también tiene un nivel de energía diferente. Las subcáscaras S tienen el nivel de energía más bajo, luego p, luego d, luego f. Pero debes recordar que todas las subcáscaras de una cáscara de electrones tienen un nivel de energía más bajo que las subcáscaras de una cáscara de electrones con un número cuántico principal más alto. Esto puede sonar un poco confuso, pero significa simplemente que todas las subcáscaras de la cáscara energética 2, por ejemplo, tienen un nivel de energía más bajo que las de la cáscara 3. Sin embargo, sólo hay una excepción. La subcáscara 3d tiene un nivel de energía más alto que la 4s, a pesar de estar en una cáscara con un número cuántico principal más bajo.
Fig. 2 - Caparazones de electrones número cuántico caparazones de energía StudySmarter
¿Qué son los orbitales electrónicos?
Cada subcáscara contiene orbitales. ¿Qué es un orbital? Bueno, según el principio de incertidumbre de Heisenberg, es imposible saber exactamente en qué parte 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 un momento dado, observando y trazando su ubicación una y otra vez para hacer un diagrama aproximado. Aunque no sepamos adónde va, nos da una idea aproximada de dónde estará probablemente el electrón la mayor parte del tiempo. Estas zonas se denominan orbitales.Los orbitales se definen correctamente como regiones del espacio donde los electrones pueden encontrarse el 95% de las veces.
Los electrones no son en realidad partículas. A veces actúan como partículas y a veces como ondas, por ejemplo, como ondas de luz. Todo depende de si se observan o no. Esto forma parte de un campo llamado mecánica cuántica. En 1925, Erwin Schrödinger ideó una ecuación que nos ayudaba a 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.
Veamos el hidrógeno. Recordarás que el hidrógeno tiene un electrón (véase Estructura atómica), y si trazas una y otra vez la ubicación de este electrón, acabarás con un esquema parecido a éste:
Fig. 3 - El único electrón del hidrógeno ocupa mayoritariamente una región esférica
Conocemos esta región como el orbital de la subcáscara 1s. Como puedes ver, este orbital es aproximadamente esférico. Veamos más detenidamente las formas y propiedades de los demás orbitales.
Formas orbitales
Los orbitales tienen formas diferentes, según su subesqueleto. Los orbitales S son esféricos, los orbitales p son una figura de ocho y los orbitales d pueden tener una gran variedad de formas.
Fig. 4 - Diagrama que muestra las formas del orbital s, a la izquierda, y del orbital p, a la derecha
Número de electrones
Todos los orbitales pueden contener un máximo de 2 electrones. Pueden tener menos de 2, pero definitivamente no pueden tener más. Las distintas subcáscaras también tienen distinto número de orbitales, lo que influye en el número de electrones que pueden contener. Las subcubiertas S sólo tienen un orbital, mientras que las p tienen tres y las d tienen cinco. Esto significa que las subcubiertas s pueden tener como máximo dos electrones, las p seis y las d diez. Esto se muestra a continuación:
Fig. 5 - Tabla con el número de electrones de cada subcáscara
No necesitas ir más allá de esto en el nivel A, pero quizá te interese saber que las subcubiertas f tienen siete orbitales, por lo que pueden contener hasta 14 electrones.
Espín del electrón
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 orbitalpuede haber como máximo un electrón con espín hacia arriba y otro con espín hacia abajo. (Explora más el espín en Comprender la RMN).
Energía orbital
Todos los orbitales de una misma subcáscara tienen la misma energía. Esto significa, por ejemplo, que los 10 electrones del subesqueleto 3d tienen la misma energía entre sí; los dos electrones del 2s tienen la misma energía entre sí.
El siguiente diagrama reúne lo que sabemos sobre envolturas, subenvolturas, orbitales y niveles de energía para mostrar las cantidades y energías de los orbitales hasta 4p.
Fig. 6 - Diagrama que muestra las energías de las distintas envolturas, subenvolturas y orbitales de electrones. Recuerda que cada orbital puede contener hasta dos electrones
Configuración electrónica
Los electronesllenan las envolturas, subenvolturas y orbitales en un orden determinado. En realidad, son bastante quisquillosos: les gusta seguir ciertas reglas. Echa un vistazo a Configuración electrónica para saber más sobre cómo se disponen exactamente los electrones en un átomo, pero de momento debes saber que la configuración electrónica de un átomo determina su reactividad y sus propiedades.
Envolturas de electrones - Puntos clave
Los electrones se organizan en capas, también llamadas niveles de energía. Cada envoltura tiene un número cuántico principal. Las envolturas con un número cuántico principal más alto están más alejadas del núcleo y tienen un nivel de energía más alto.
Las envolturas de los electrones se dividen en subniveles llamados subvainas. Éstas también varían en nivel de energía.
Las subcáscaras contienen distintos números de orbitales, que son regiones del espacio en las que se puede encontrar un electrón el 95% de las veces. Los orbitales sólo pueden contener un máximo de dos electrones y tienen formas diferentes.
Los electrones llenan las envolturas, subenvolturas y orbitales en un orden determinado, conocido como configuración electrónica de un elemento. Esto determina las propiedades y la reactividad de un átomo.
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