5.12: Nivel de Energía

Figura\(\PageIndex{1}\) (Crédito: PublicDomainPictures; Fuente: https://pixabay.com/photos/fireworks-show-pyrotechnics-1758(opens en una ventana nueva); Licencia: Licencia Pixabay)

Los fuegos artificiales son una excelente manera de celebrar eventos felices. ¿Sabes qué causa las brillantes luces de colores de los fuegos artificiales? Las luces son ráfagas de energía emitidas por los átomos en los fuegos artificiales. ¿Qué supone que causa estos estallidos de luz? La respuesta tiene que ver con los niveles de energía de los átomos.

¿Qué son los niveles de energía?

Los niveles de energía (también llamados conchas de electrones) son distancias fijas desde el núcleo de un átomo donde se pueden encontrar electrones. Los electrones son partículas diminutas, cargadas negativamente en un átomo que se mueven alrededor del núcleo positivo en el centro. Los niveles de energía son un poco como los escalones de una escalera. Puedes pararte en un escalón u otro pero no entre los escalones. Lo mismo ocurre con los electrones. Pueden ocupar un nivel de energía u otro pero no el espacio entre los niveles de energía.

El modelo de la siguiente figura muestra los cuatro primeros niveles de energía de un átomo. Los electrones en el nivel de energía I (también llamado nivel de energía K) tienen la menor cantidad de energía. A medida que vas más lejos del núcleo, los electrones en niveles superiores tienen más energía, y su energía aumenta en una cantidad fija y discreta. Los electrones pueden saltar de un nivel de energía inferior al siguiente superior si absorben esta cantidad de energía. Por el contrario, si los electrones saltan de un nivel de energía superior a uno más bajo, emiten energía, a menudo en forma de luz. Esto explica los fuegos artificiales que se muestran arriba. Cuando los fuegos artificiales explotan, los electrones ganan energía y saltan a niveles de energía más altos. Cuando saltan de nuevo a sus niveles de energía originales, liberan la energía como luz. Los diferentes átomos tienen diferentes arreglos de electrones, por lo que emiten luz de diferentes colores.

Figura\(\PageIndex{2}\) (Crédito: Zachary Wilson; Fuente: Fundación CK-12; Licencia: CC BY-NC 3.0 (opens in new window))

P: En el modelo atómico Figura anterior, ¿dónde encontrarías electrones que tienen más energía?

R: Los electrones con más energía se encontrarían en el nivel de energía IV.

Niveles de Energía y Orbitales

Los átomos más pequeños son los átomos de hidrógeno. Tienen sólo un electrón. Ese electrón está en el primer nivel de energía. Los átomos más grandes tienen más electrones. Los electrones siempre se agregan primero al nivel de energía más bajo hasta que tenga el número máximo de electrones posible. Entonces los electrones se agregan al siguiente nivel de energía superior hasta que ese nivel esté lleno, y así sucesivamente.

¿Cuántos electrones puede contener un determinado nivel de energía? Los números máximos de electrones posibles para los cuatro primeros niveles de energía se muestran en la figura anterior. Por ejemplo, el nivel de energía I puede contener un máximo de dos electrones, y el nivel de energía II puede contener un máximo de ocho electrones. El número máximo depende del número de orbitales a un nivel de energía dado. Un orbital es un volumen de espacio dentro de un átomo donde es más probable que se encuentre un electrón. Como puede ver por las imágenes de la siguiente figura, algunos orbitales tienen forma de esferas (orbitales S) y algunos tienen forma de mancuernas (orbitales P). También hay otros tipos de orbitales.

Figura\(\PageIndex{3}\) (Crédito: Laura Guerin; Fuente: Fundación CK-12; Licencia: CC BY-NC 3.0 (opens in new window))

Independientemente de su forma, cada orbital puede contener un máximo de dos electrones. El nivel de energía I solo tiene un orbital, por lo que dos electrones llenarán este nivel de energía. El nivel de energía II tiene cuatro orbitales, por lo que se necesitan ocho electrones para llenar este nivel de energía.

P: El nivel de energía III puede contener un máximo de 18 electrones. ¿Cuántos orbitales tiene este nivel de energía?

R: A dos electrones por orbital, este nivel de energía debe tener nueve orbitales.

El nivel más exterior

Los electrones en el nivel de energía más exterior de un átomo tienen un significado especial. Estos electrones se llaman electrones de valencia, y determinan muchas de las propiedades de un átomo. Un átomo es más estable si su nivel de energía más externo contiene tantos electrones como pueda contener. Por ejemplo, el helio tiene dos electrones, ambos en el primer nivel de energía. Este nivel de energía puede contener solo dos electrones, por lo que el único nivel de energía del helio está lleno. Esto hace que el helio sea un elemento muy estable. En otras palabras, es poco probable que sus átomos reaccionen con otros átomos.

Considera los elementos flúor y litio, modelados en la siguiente figura. El flúor tiene siete de ocho electrones posibles en su nivel de energía más externo, que es el nivel de energía II. Sería más estable si tuviera un electrón más porque esto llenaría su nivel de energía más externo. El litio, por otro lado, tiene apenas uno de los ocho electrones posibles en su nivel de energía más externo (también el nivel de energía II). Sería más estable si tuviera un electrón menos porque tendría un nivel de energía exterior completo (ahora nivel de energía I).

Figura\(\PageIndex{4}\) (Crédito: Zachary Wilson; Fuente: Fundación CK-12; Licencia: CC BY-NC 3.0 (opens in new window))

Tanto el flúor como el litio son elementos altamente reactivos debido a su número de electrones de valencia. El flúor ganará fácilmente un electrón y el litio cederá fácilmente un electrón para volverse más estable. De hecho, el litio y el flúor reaccionarán juntos como se muestra en la siguiente figura. Cuando los dos elementos reaccionan, el litio transfiere su único electrón “extra” al flúor.

Figura\(\PageIndex{5}\) (Crédito: Zachary Wilson; Fuente: Fundación CK-12; Licencia: CC BY-NC 3.0 (opens in new window))

P: Un átomo de neón tiene diez electrones. ¿Cuántos electrones tiene en su nivel de energía más exterior? ¿Qué tan estable crees que es un átomo de neón?

R: Un átomo de neón tiene dos electrones en el nivel de energía I y sus ocho electrones restantes en el nivel de energía II, que puede contener sólo ocho electrones. Esto significa que es el nivel de energía más exterior está lleno. Por lo tanto, un átomo de neón es muy estable.

Resumen

• Los niveles de energía (también llamados conchas de electrones) son distancias fijas desde el núcleo de un átomo donde se pueden encontrar electrones. A medida que vas más lejos del núcleo, los electrones a niveles de energía más altos tienen más energía.
• Los electrones siempre se agregan al nivel de energía más bajo primero hasta que tenga el número máximo de electrones posible, y luego los electrones se agregan al siguiente nivel de energía más alto hasta que ese nivel esté lleno, y así sucesivamente. El número máximo de electrones a un nivel de energía dado depende de su número de orbitales. Hay como máximo dos electrones por orbital.
• Los electrones en el nivel de energía más exterior de un átomo se llaman electrones de valencia. Determinan muchas de las propiedades de un átomo, incluyendo lo reactivo que es.

Revisar

1. ¿Qué son los niveles de energía?
2. Relacionar los niveles de energía con la cantidad de energía que tienen sus electrones.
3. ¿Qué debe pasar para que un electrón salte a un nivel de energía diferente?
4. ¿Cuántos electrones puede tener el cuarto nivel de energía? ¿Cuántos orbitales hay en este nivel de energía?
5. Un átomo de sodio tiene 11 electrones. Haz un boceto de un átomo de sodio, mostrando cuántos electrones tiene en cada nivel de energía. Inferir cuán reactivos son los átomos de sodio.

Recursos