15.1: Electrones interactuantes, niveles de energía y conchas rellenas

De hecho, los electrones sí interactúan entre sí. En el capítulo anterior, hicimos argumentos de que estas interacciones deberían ser menores que la interacción con el núcleo. Debido a que las nubes de probabilidad de electrones están dispersas, y las nubes de caparazón exterior solo tienen una superposición relativamente pequeña con las nubes de conchas internas, a menudo, especialmente cuando se ven conchas internas, puede aproximarlas como simplemente bajando la carga neta efectiva del protón. Es decir, si nos fijamos en un átomo de Sodio, tiene 11 electrones. Los primeros 10 electrones llenarán el\(1s\),\(2s\), y\(2p\) estados. Eso deja el electrón más externo en el\(3s\) estado. Debido a que no hay mucha probabilidad de que ese\(3s\) electrón se encuentre donde generalmente se encuentran los electrones internos, podrías aproximar la situación para ese electrón externo de que está orbitando una bola de carga con una carga neta de +1 (en unidades atómicas), descuidando el hecho de que esa carga es compuesto si +11 en el núcleo minúsculo y −10 en la nube externa de electrones. Sin embargo, aunque las interacciones entre electrones son secundarias a la interacción entre cada electrón y el núcleo, están ahí, y en última instancia tienen mucha influencia en cuanto a cómo se comportan los elementos en diferentes lugares de la tabla periódica.

Uno de los efectos primarios de las interacciones electrónicas es que los\(d\) orbitales\(s\)\(p\),, y para un valor dado de no\(n\) están exactamente a la misma energía. En un átomo de hidrógeno —o cualquier ion que sólo tenga un electrón— lo son, a una aproximación bastante buena. Si hay más de un electrón, sin embargo, las interacciones electrón-electrón modifican las energías de estos estados. En general, los niveles con mayores\(l\) serán estados energéticos más altos que los niveles con menores\(l\) pero iguales\(n\). A falta de algo externo (como un campo magnético), niveles de diferente\(m\) pero al mismo\(n\) y\(l\) seguirán teniendo aproximadamente la misma energía. En ocasiones, encontrarás niveles con un mayor\(n\) pero un menor\(l\) para estar en un nivel de energía más bajo que los niveles con un menor\(n\) y mayor\(l\). Por ejemplo, los\(4p\) estados tienden a llenarse antes que los\(3d\) estados. Esta no siempre es una regla dura y rápida; a veces verás los estados llenados del orden “estándar”. Las interacciones entre los electrones hacen que todo el sistema sea un sistema de muchos cuerpos, y los sistemas de muchos cuerpos a menudo son notoriamente difíciles de resolver en Física.

En su mayor parte, los átomos son “más felices” (si va a permitir alguna antropomorfización para fines de discusión) si el número de electrones es igual al número de protones. Si hay demasiados electrones, el ion generalmente estará feliz de regalar uno de sus electrones negativos a la primera carga positiva que va a lo largo. De igual manera, si hay uno muy pocos electrones, el ion tiene una carga positiva extra, y tenderá a romper cualquier electrón de repuesto en su vecindad.

Sin embargo, esta no es la única consideración para la felicidad atómica. A los átomos también les gusta tener una concha llena. Es decir, el helio es más estable químicamente que el hidrógeno, ya que mientras que el hidrógeno solo tiene uno de los dos electrones posibles en el\(1s\) estado, el helio ha llenado completamente la\(n = 1\) cáscara colocando dos electrones en el estado 1s. De igual manera, Neón, con 10 electrones, ha llenado ambos\(1s\) estados, ambos\(2s\) estados, y los seis\(2p\) estados, convirtiéndolo en un elemento químicamente muy estable. Los elementos de la columna derecha de la Tabla Periódica se denominan “gases nobles”. Se les llama así porque son químicamente estables, y no tienden a interactuar con otros átomos ni formar moléculas. (Son nobles, y así por encima de todo, o algo así. Sin duda, a los sociólogos de la ciencia les encanta destrozar esta nomenclatura para mostrar sesgos culturales en los científicos.) La razón por la que son tan estables es que cada uno de estos gases nobles es un elemento que acaba de llenar completamente un conjunto de\(p\) orbitales. (La única excepción es el helio. Se ha llenado completamente el\(n = 1\) caparazón, donde no hay\(p\) orbitales.) Ne ha llenado completamente su conjunto de\(2p\) orbitales. Ar ha llenado completamente su conjunto de\(3p\) orbitales. Kr ha llenado completamente su conjunto de\(4p\) orbitales. Y así sucesivamente.

Se puede obtener una primera conjetura sobre las propiedades químicas de un elemento comparando lo cerca que está de un gas noble. Si un elemento tiene solo uno o dos electrones más que un gas noble, la forma más fácil de que se parezca más a un gas noble sería que perdiera un electrón extra. Elementos como estos son más propensos a formar iones positivos que iones negativos. Un ejemplo es el Sodio. El sodio tiene el número atómico 11. Los primeros 10 electrones llenan los\(1s\),\(2s\), y\(3p\) orbitales; es decir, son como un núcleo interno de Neón. Entonces, justo afuera de eso, hay un solo\(3s\) electrón. Si el Sodio pierde ese electrón, entonces es eléctricamente positivo, pero ahora tiene una feliz configuración electrónica similar al gas noble. En contraste, el cloro tiene 2 electrones en el\(3s\) caparazón y 5 electrones en el\(3p\) caparazón. Todo lo que necesita es un electrón más para tener un\(3p\) caparazón completo, dándole la configuración electrónica de Krypton. Si pones estos dos elementos juntos, cada átomo de Cl tenderá a quitar un electrón de cada átomo de Na, dejando el Cl un ion negativo y el Na un ion positivo. Esos dos iones tendrán entonces una atracción electrostática el uno hacia el otro como resultado de sus cargas opuestas. El resultado es un cristal, Cloruro de Sodio, más comúnmente conocido como sal. En este caso, los enlaces que mantienen unidos al cristal son “enlaces iónicos”. En la mayoría de los enlaces moleculares, un electrón se comparte entre los elementos. En este caso, sin embargo, el Sodio está tan ansioso por deshacerse de un electrón y el Cloro es tan codicioso por otro que efectivamente el electrón transfiere todo el camino a través del Na al Cl.