2.6: Disposición de los electrones

Aunque hemos hablado de la disposición general de las partículas subatómicas en los átomos, hemos dicho poco sobre cómo los electrones ocupan el espacio alrededor del núcleo. ¿Se mueven alrededor del núcleo al azar, o existen en alguna disposición ordenada?

La teoría moderna del comportamiento de los electrones se llama mecánica cuántica. Hace las siguientes afirmaciones sobre los electrones en los átomos:

• Los electrones en los átomos sólo pueden tener ciertas energías específicas. Decimos que las energías de los electrones están cuantizadas.
• Los electrones se organizan según sus energías en conjuntos llamados cáscaras. Generalmente, cuanto mayor es la energía de una cáscara, más lejos está (en promedio) del núcleo. Las cáscaras no tienen distancias específicas y fijas desde el núcleo, pero un electrón en una cáscara de mayor energía pasará más tiempo lejos del núcleo que un electrón en una cáscara de menor energía.
• Las cáscaras se dividen a su vez en subconjuntos de electrones llamados subcáscaras. La primera cáscara tiene una sola subcáscara, la segunda tiene dos subcáscaras, la tercera tiene tres subcáscaras, y así sucesivamente. Las subcáscaras de cada cáscara se etiquetan, en orden, con las letras s, p, d y f. Así, la primera cáscara sólo tiene una subcáscara s, la segunda cáscara tiene una subcáscara s y una p, la tercera cáscara tiene subcáscaras s, p y d, y así sucesivamente.
• Las diferentes subcáscaras tienen un número máximo diferente de electrones. Cualquier subcapa s puede contener hasta 2 electrones; la supcapa p hasta 6 electrones; la subcapa d hasta 10; y la subcapa f hasta 14.

Es la disposición de los electrones en las cáscaras la que tiene mayor efecto sobre las propiedades químicas, por lo que aquí nos centraremos principalmente en las cáscaras.

Usamos números para indicar en qué cáscara se encuentra un electrón. La primera cáscara, más cercana al núcleo y con los electrones de menor energía, es la cáscara 1. Esta primera corteza sólo tiene una subcáscara (etiquetada como 1s) y puede contener un máximo de 2 electrones. Por eso hay dos elementos en la primera fila de la tabla periódica (H & He).

Debido a que la primera capa sólo puede contener un máximo de 2 electrones, el tercer electrón debe ir a la segunda capa. Por lo tanto, el litio (Li), que tiene tres electrones en total, tendrá dos electrones en la primera capa y un electrón en la segunda. Observa que el litio es el primer elemento de la segunda fila de la tabla periódica.

La segunda corteza tiene dos subcubiertas (etiquetadas 2s y 2p). La subcáscara 2s tiene un máximo de 2 electrones, y la subcáscara 2p tiene un máximo de 6 electrones. Esto significa que la segunda capa puede contener un máximo de ocho electrones (2+6=8). Fíjate en que hay ocho elementos en la segunda fila de la tabla periódica.

Sólo los electrones de la capa más externa, llamada capa de VALENCIA, tienden a reaccionar (se ganan, se pierden o se comparten). Podrías imaginar que, si dos átomos chocaran entre sí, serían los electrones exteriores los que interactuarían primero. La siguiente es una lista de electrones totales, electrones por cáscara y electrones de valencia para los 10 primeros elementos.

1. El hidrógeno tiene 1 electrón en la primera cáscara (por lo que un electrón de valencia).
2. El helio tiene 2 electrones — ambos en la primera cáscara (por lo que dos electrones de valencia).
3. El litio tiene 3 electrones — 2 en la primera capa, y 1 en la segunda capa (por lo que un electrón de valencia).
4. El berilio tiene 4 electrones — 2 en la primera capa, y 2 en la segunda capa (por lo que dos electrones de valencia).
5. El boro tiene 5 electrones — 2 en la primera cáscara, y 3 en la segunda cáscara (así que tres electrones de valencia).
6. El carbono tiene 6 electrones — 2 en la primera capa, y 4 en la segunda capa (así que cuatro electrones de valencia).
7. El nitrógeno tiene 7 electrones — 2 en la primera capa, y 5 en la segunda capa (así que cinco electrones de valencia).
8. El oxígeno tiene 8 electrones — 2 en la primera capa, y 6 en la segunda capa (así que seis electrones de valencia).
9. El flúor tiene 9 electrones — 2 en la primera capa, y 7 en la segunda capa (así que siete electrones de valencia).
10. El neón tiene 10 electrones — 2 en la primera capa, y 8 en la segunda capa (así que ocho electrones de valencia).

La figura 2.6.1 que aparece a continuación enumera el número atómico de los elementos del grupo principal. El número atómico define el número de protones en el núcleo de cada átomo. Para los átomos neutros, el número de protones positivos será igual al número total de electrones negativos (carga neta cero). Por ejemplo, el bromo (Br) tiene 35 protones y 35 electrones totales. Las tablas periódicas siempre indican el número atómico.

Figura 2.6.1 – Número atómico de cada uno de los elementos del grupo principal

El número de electrones de valencia de cada elemento del grupo principal puede determinarse por la columna, o grupo, que ocupa en la tabla periódica. La tabla 2.6.2 resume el número de electrones de valencia para cada columna del grupo principal de elementos. Por ejemplo, los elementos de la primera columna (a veces etiquetada como IA), tienen todos un electrón de valencia. La segunda columna (IIA) tiene dos electrones de valencia. Omitimos el bloque corto de diez elementos en el medio porque aquí es donde se llena una subcélula fuera de orden. Los elementos en las columnas IIIA, IVA, VA, VIA, y VIIA, y VIIIA* tienen tres, cuatro, cinco, seis, siete y ocho* electrones de valencia, respectivamente.

*Nota que el helio (He) sólo tiene dos electrones de valencia. Algunas tablas periódicas colocan el helio en la columna IIA, otras lo colocan en la VIIIA, y algunas en ambas ubicaciones.

Figura 2.6.2 – Número de electrones de valencia para los elementos del grupo principal