Estructura electrónica e interacción con la radiación electromagnética
En la Quema del Diablo del 7 de diciembre y en los cohetillos de Navidad, los fuegos artificiales pintan el cielo de Guatemala de rojo, verde o amarillo. ¿Por qué cada sal da su propio color y nunca otro? La respuesta está en cómo se acomodan los electrones dentro del átomo, y de ahí sale también la forma de la tabla periódica.
Espectros atómicos: la huella de cada elemento
Si la luz de un bombillo de filamento pasa por un prisma, se ve un arcoíris continuo. Si pasa la luz de un tubo de hidrógeno, solo se ven unas pocas líneas de colores sobre fondo negro. ¿Por qué un gas no emite todos los colores?
Que cada elemento tenga siempre su mismo patrón de líneas significa que sus electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía fijos. Es una huella dactilar atómica: así se sabe de qué está hecha una estrella sin traer una muestra.
Dos consecuencias importantes. Primero, un elemento absorbe justo las mismas longitudes de onda que es capaz de emitir, porque los saltos posibles son los mismos (subir o bajar). Segundo, por eso los espectros de absorción de las estrellas, con líneas oscuras, revelan su composición.
Un ejemplo cotidiano: las farolas de vapor de sodio de algunas carreteras dan luz casi de un solo color (amarillo), porque el sodio solo emite unas pocas líneas. Bajo esa luz los carros pierden su color: no hay otras longitudes de onda que puedan reflejar.
Al pasar la luz de una lámpara de descarga de hidrógeno por un prisma se obtienen unas pocas líneas de colores sobre fondo negro, mientras que la luz de un bombillo de…
Al pasar la luz de una lámpara de descarga de hidrógeno por un prisma se obtienen unas pocas líneas de colores sobre fondo negro, mientras que la luz de un bombillo de filamento se descompone en un arcoíris continuo. La figura compara los dos espectros:
- a) ¿Qué diferencia hay entre un espectro continuo y un espectro de líneas?
- b) ¿Cuál de los dos es un espectro de emisión atómica? ¿Qué información da sobre el elemento que lo produce?
Los electrones de un átomo solo pueden ocupar ciertos niveles de energía, distintos en cada elemento, como ilustra la figura: Explica, a partir de esa idea: a) Por qué…
Los electrones de un átomo solo pueden ocupar ciertos niveles de energía, distintos en cada elemento, como ilustra la figura:
Explica, a partir de esa idea:
- a) Por qué cada elemento emite luz de unos colores característicos y no de otros.
- b) Por qué el conjunto de esas líneas sirve para identificar un elemento, igual que una huella dactilar identifica a una persona.
Los fuegos artificiales llevan sales de estroncio (luz roja), de bario (luz verde) y de sodio (luz amarilla). a) ¿Qué les ocurre a los electrones de esos átomos cuando…
Los fuegos artificiales llevan sales de estroncio (luz roja), de bario (luz verde) y de sodio (luz amarilla).
- a) ¿Qué les ocurre a los electrones de esos átomos cuando la combustión de la pólvora calienta las sales?
- b) ¿De dónde sale la luz de color que vemos? Explica el proceso completo con la idea de saltos entre niveles de energía.
Muchas farolas antiguas usaban lámparas de vapor de sodio, que dan una luz amarilla muy intensa. a) ¿Por qué su luz es prácticamente de un solo color, a diferencia de la…
Muchas farolas antiguas usaban lámparas de vapor de sodio, que dan una luz amarilla muy intensa.
- a) ¿Por qué su luz es prácticamente de un solo color, a diferencia de la luz blanca de un foco de filamento?
- b) Una de esas farolas ilumina una carretera y todo se ve en tonos amarillos y grises: razona, con la idea de espectro de líneas, por qué los colores de los carros se distinguen peor que con luz blanca.
Un electrón de un átomo está en el nivel $n = 1$. a) ¿Qué tiene que ocurrir para que pase al nivel $n = 3$? ¿Absorbe o cede energía el átomo en ese proceso? b) Cuando el…
Un electrón de un átomo está en el nivel $n = 1$.
- a) ¿Qué tiene que ocurrir para que pase al nivel $n = 3$? ¿Absorbe o cede energía el átomo en ese proceso?
- b) Cuando el electrón vuelve a bajar al nivel $n = 1$, ¿qué emite el átomo? Dibuja en tu cuaderno los dos procesos con flechas entre los niveles.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
Configuración electrónica
Los ejercicios de configuración, periodo y grupo se practican en la sección siguiente.
Ampliación: la energía de un fotón
En el interactivo $\lambda$ y la frecuencia se mueven por separado, pero en la luz están atadas: su producto siempre es $c$. Si acortas $\lambda$ a la mitad, la frecuencia se duplica. Por eso un fotón ultravioleta ($\lambda$ corta) es más energético que uno de luz roja ($\lambda$ larga).
Del átomo de Bohr al modelo cuántico
El modelo de Bohr, con electrones en órbitas circulares, explica bien el hidrógeno, pero falla con átomos de más electrones. El modelo cuántico lo sustituye por orbitales: regiones donde es muy probable encontrar al electrón.
Lo que necesitas de este modelo para las secciones que siguen es cuántos electrones caben en cada subnivel.
Números cuánticos
El modelo cuántico describe cada electrón con cuatro números cuánticos: $n$ (nivel, $1, 2, 3\dots$), $l$ (subnivel, de $0$ a $n-1$, que se escriben $s, p, d, f$), $m_l$ (orientación del orbital, de $-l$ a $+l$) y $m_s$ (espín, $\pm\frac12$). El principio de exclusión de Pauli dice que dos electrones del mismo átomo no pueden tener los cuatro iguales. Para $n=2$, por ejemplo, $l$ solo puede valer $0$ o $1$.
Configuración electrónica
Los subniveles se llenan siguiendo el diagrama de Moeller (regla de las diagonales), cada uno hasta su capacidad, en este orden: $1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s\dots$ El $4s$ tiene menos energía que el $3d$, así que se llena antes. Por ejemplo, el hierro ($Z=26$) es $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6$, que se abrevia $[\text{Ar}]\ 4s^2\ 3d^6$, donde $[\text{Ar}]$ reemplaza la configuración del gas noble anterior.
El período es el número del último nivel ocupado, y los electrones de valencia (los del último nivel) fijan el grupo. Por ejemplo, $3s^2 3p^4$ tiene 6 electrones de valencia y está en el período 3: es el azufre.
Los elementos del grupo 1 (alcalinos) terminan en $ns^1$ y los del grupo 17 (halógenos) en $ns^2 np^5$. Los alcalinos pierden ese electrón con mucha facilidad, por eso el sodio y el potasio reaccionan violentamente con el agua; el rubidio, con $5s^1$, aún más.
Iones: parecerse al gas noble más cercano
Un átomo puede ganar o perder electrones hasta quedar con la distribución del gas noble más cercano, que es muy estable (8 electrones en el último nivel). Los elementos con pocos electrones de valencia tienden a perderlos y forman cationes. Los que tienen casi completo el último nivel tienden a ganar y forman aniones.
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El Na ($1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$) pierde su único electrón de valencia y forma $\text{Na}^+$: $1s^2 2s^2 2p^6$, igual que el neón.
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El Cl ($[\text{Ne}]\ 3s^2 3p^5$) gana un electrón y forma $\text{Cl}^-$: $[\text{Ne}]\ 3s^2 3p^6$, igual que el argón.
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Regla práctica: con 1, 2 o 3 electrones de valencia el átomo suele perderlos (cargas $1+$, $2+$, $3+$); con 7 o 6 suele ganar 1 o 2 (cargas $1-$, $2-$).
Las especies con el mismo número de electrones se llaman isoelectrónicas: Ar, $\text{K}^+$ y $\text{Ca}^{2+}$ tienen 18 electrones.
Excepciones: subniveles semillenos y llenos
La regla de las diagonales acierta casi siempre, pero algunos elementos de transición «hacen trampa»: un electrón del $4s$ pasa al $3d$ para dejarlo semilleno ($d^5$) o lleno ($d^{10}$), disposiciones especialmente estables.
Vuelve al principio: el color de cada sal de los fuegos artificiales es la huella de sus saltos entre niveles de energía: al calentarse, los electrones suben y, al regresar, emiten fotones de energías propias de cada elemento. Y las capacidades de los subniveles ($2$, $6$, $10$, $14$) están detrás de la forma de la tabla, con sus bloques s, p, d y f.
Resumen
El orden de llenado de los subniveles es $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, con capacidades máximas de $2$ electrones en cada subnivel s y $6$ en cada subnivel p, como…
El orden de llenado de los subniveles es $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, con capacidades máximas de $2$ electrones en cada subnivel s y $6$ en cada subnivel p, como muestra el diagrama:
- a) Escribe la configuración electrónica del nitrógeno ($Z = 7$).
- b) Escribe la configuración electrónica del magnesio ($Z = 12$).
El número del último nivel ocupado por los electrones coincide con el periodo del elemento en la tabla. a) ¿En qué periodo está un átomo cuya configuración termina en…
El número del último nivel ocupado por los electrones coincide con el periodo del elemento en la tabla.
- a) ¿En qué periodo está un átomo cuya configuración termina en $3s^1$? ¿De qué elemento se trata?
- b) ¿Y en qué periodo está uno cuya configuración termina en $2p^5$? Identifícalo con ayuda de la tabla.
Los electrones del último nivel, llamados electrones de valencia, determinan el grupo del elemento. a) ¿Cuántos electrones de valencia tiene un átomo cuya configuración…
Los electrones del último nivel, llamados electrones de valencia, determinan el grupo del elemento.
- a) ¿Cuántos electrones de valencia tiene un átomo cuya configuración termina en $3s^2 3p^4$? ¿A qué grupo pertenece?
- b) ¿Y uno cuya configuración termina en $3s^2 3p^3$? Nombra ambos elementos.
Tras el subnivel $3p$ se llena el $4s$ antes que el $3d$, como muestra el diagrama de energías: Capacidades máximas: s, $2$ electrones; p, $6$; d, $10$. a) Escribe las…
Tras el subnivel $3p$ se llena el $4s$ antes que el $3d$, como muestra el diagrama de energías:
Capacidades máximas: s, $2$ electrones; p, $6$; d, $10$.
- a) Escribe las configuraciones electrónicas del potasio ($Z = 19$) y del calcio ($Z = 20$).
- b) Escribe la configuración electrónica del hierro ($Z = 26$), teniendo en cuenta que tras llenarse el $4s$ empieza a llenarse el $3d$.
a) Escribe la configuración electrónica de los iones $\text{Na}^{+}$ ($Z = 11$) y $\text{Cl}^{-}$ ($Z = 17$) y comprueba que cada una coincide con la de un gas noble:…
- a) Escribe la configuración electrónica de los iones $\text{Na}^{+}$ ($Z = 11$) y $\text{Cl}^{-}$ ($Z = 17$) y comprueba que cada una coincide con la de un gas noble: ¿de cuáles se trata?
- b) El argón, el ion $\text{K}^{+}$ ($Z = 19$) y el ion $\text{Ca}^{2+}$ ($Z = 20$) tienen el mismo número de electrones: ¿cuántos? ¿Cómo se llama a las especies que tienen el mismo número de electrones?
Un elemento tiene configuración electrónica $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^3$. a) ¿Cuál es su número atómico? ¿Qué elemento es? b) ¿En qué periodo y en qué…
Un elemento tiene configuración electrónica $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^3$.
- a) ¿Cuál es su número atómico? ¿Qué elemento es?
- b) ¿En qué periodo y en qué grupo de la tabla periódica está situado? Justifica ambas respuestas a partir de su configuración.
La configuración electrónica abreviada de un elemento es $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^{10} 4p^5$. a) Suma los electrones para obtener su número atómico e identifica el elemento…
La configuración electrónica abreviada de un elemento es $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^{10} 4p^5$.
- a) Suma los electrones para obtener su número atómico e identifica el elemento con la tabla.
- b) ¿Cuántos electrones de valencia tiene? ¿Qué ion tiende a formar? Justifícalo pensando en la configuración del gas noble siguiente.
Un elemento tiene número atómico $Z = 37$. a) Escribe su configuración electrónica (orden de llenado: $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$, $5s$). b) Deduce su…
Un elemento tiene número atómico $Z = 37$.
- a) Escribe su configuración electrónica (orden de llenado: $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$, $5s$).
- b) Deduce su periodo y su grupo, e identifica el elemento con ayuda de la tabla.
- c) Predice, justificándolo a partir de la configuración: cuántos electrones de valencia tiene, qué ion forma con más facilidad y si reaccionará violentamente con el agua.