2.6: Átomos, isótopos, iones y moléculas - Orbitales de electrones

Objetivos de aprendizaje

• Distinguir entre orbitales electrónicos en el modelo Bohr versus orbitales mecánicos cuánticos

Aunque es útil para explicar la reactividad y la unión química de ciertos elementos, el modelo Bohr del átomo no refleja con precisión cómo se distribuyen espacialmente los electrones alrededor del núcleo. No circundan el núcleo como la tierra orbita al sol, sino que se encuentran en orbitales de electrones. Estas formas relativamente complejas resultan del hecho de que los electrones se comportan no solo como partículas, sino también como ondas. Las ecuaciones matemáticas de la mecánica cuántica conocidas como funciones de onda pueden predecir dentro de un cierto nivel de probabilidad dónde podría estar un electrón en un momento dado. El área donde es más probable que se encuentre un electrón se llama su orbital.

Primer caparazón de electrones

El orbital más cercano al núcleo, llamado orbital 1s, puede contener hasta dos electrones. Este orbital es equivalente a la capa electrónica más interna del modelo Bohr del átomo. Se llama orbital 1s porque es esférica alrededor del núcleo. El orbital 1s siempre se llena antes que cualquier otro orbital. El hidrógeno tiene un electrón; por lo tanto, solo tiene un punto dentro del orbital 1s ocupado. Esto se designa como 1s ¹, donde el superíndice 1 se refiere al electrón dentro del orbital 1s. El helio tiene dos electrones; por lo tanto, puede llenar completamente el orbital 1s con sus dos electrones. Esto se designa como 1s ², refiriéndose a los dos electrones de helio en el orbital 1s. En la tabla periódica, el hidrógeno y el helio son los dos únicos elementos en la primera fila (periodo); esto se debe a que son los únicos elementos que tienen electrones sólo en su primer caparazón, el orbital 1s.

Segunda capa de electrones

La segunda capa de electrones puede contener ocho electrones. Este caparazón contiene otro orbital s esférico y tres orbitales p en forma de “mancuerna”, cada uno de los cuales puede contener dos electrones. Después de llenar el orbital 1s, se llena la segunda capa de electrones, primero llenando su orbital 2s y luego sus orbitales de tres p. Al llenar los orbitales p, cada uno toma un solo electrón; una vez que cada orbital p tiene un electrón, se puede agregar un segundo. El litio (Li) contiene tres electrones que ocupan la primera y segunda conchas. Dos electrones llenan el orbital 1s, y el tercer electrón luego llena el orbital 2s. Su configuración electrónica es 1s ² 2s ¹. Neón (Ne), por otro lado, tiene un total de diez electrones: dos están en su orbital 1s más interior, y ocho llenan su segunda capa (dos cada uno en los orbitales 2s y tres p). Así, es un gas inerte y energéticamente estable: rara vez forma un enlace químico con otros átomos.

Tercera carcasa de electrones

Los elementos más grandes tienen orbitales adicionales, que conforman la tercera capa de electrones. Las subconchas d y f tienen formas más complejas y contienen cinco y siete orbitales, respectivamente. La carcasa principal 3n tiene subcapas s, p y d y puede contener 18 electrones. La carcasa principal 4n tiene orbitales s, p, d y f y puede contener 32 electrones. Alejándose del núcleo, aumenta el número de electrones y orbitales que se encuentran en los niveles de energía. Progresando de un átomo al siguiente en la tabla periódica, la estructura del electrón se puede elaborar ajustando un electrón extra en el siguiente orbital disponible. Si bien los conceptos de conchas y orbitales de electrones están estrechamente relacionados, los orbitales proporcionan una representación más precisa de la configuración electrónica de un átomo porque el modelo orbital especifica las diferentes formas y orientaciones especiales de todos los lugares que pueden ocupar los electrones.

Figura\(\PageIndex{1}\): Diagrama de los orbitales S y P: Las subconchas s tienen forma de esferas. Tanto los proyectiles principales 1n como los 2n tienen un orbital s, pero el tamaño de la esfera es mayor en el orbital 2n. Cada esfera es un solo orbital. las subconchas p están compuestas por tres orbitales en forma de mancuerna. El shell principal 2n tiene un subshell p, pero el shell 1 no.

Puntos Clave

• El modelo Bohr del átomo no refleja con precisión cómo los electrones se distribuyen espacialmente alrededor del núcleo ya que no rodean el núcleo como la tierra orbita al sol.
• Los orbitales electrónicos son el resultado de ecuaciones matemáticas de la mecánica cuántica conocidas como funciones de onda y pueden predecir dentro de un cierto nivel de probabilidad dónde podría estar un electrón en un momento dado.
• El número y tipo de orbitales aumenta al aumentar el número atómico, llenando diversas conchas de electrones.
• El área donde es más probable que se encuentre un electrón se llama su orbital.

Términos Clave

• caparazón de electrones: Los estados colectivos de todos los electrones en un átomo que tiene el mismo número cuántico principal (visualizado como una órbita en la que se mueven los electrones).
• orbital: Especificación de la densidad de energía y probabilidad de un electrón en cualquier punto de un átomo o molécula.