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¡Atención!
Un orbital es una región del espacio alrededor del núcleo donde hay una alta probabilidad de encontrar electrones.
Nube Electrónica, Corona o Envoltura
Los electrones son partículas evasivas, que no se pueden observar directamente. Puesto que no se puede observar un electrón, no se puede conocer su ruta y localización exacta. Debido a ello, los científicos pueden únicamente identificar las regiones del espacio donde los electrones tienen más probabilidad de encontrarse. Estas regiones del espacio se denominan orbitales. A continuación puede observar un orbital y como una nube electrónica.
El número máximo de electrones que puede haber en un orbital es de dos. Los orbitales pueden estar vacíos (sin electrones), llenos un 50% (1 electrón) o completamente llenos.
La descripción de la localización de los electrones es similar a cuando se da la dirección de una persona. Una dirección indica el departamento, la ciudad y la calle donde vive una persona o un grupo de personas. Para describir la posición de un electrón en un átomo, los químicos especifican los niveles de energía, los subniveles y orbitales en donde se encuentran los electrones.
Después del subnivel 3p hay una superposición de energía, es así como encontramos que antes de que se llenen los orbitales 3d los electrones entran en el orbital 4s. Lo mismo ocurre con el 5s y el 4d. En los niveles de energía más altos se presenta mayor superposición de este tipo.
Este orden de llenado ( del 1 al 18 y del 19 al 36) de los subniveles es lo que se llama principio de construcción (orden aufbau), el cual significa construir.
El orden de llenado de los subniveles de energía y la configuración electrónica de cada elemento se puede ver en la siguientes tabla periódica interactiva en la pestaña superior de "orbitales": Hacer click aquí. Esta es una tabla periódica comercial pero que tiene una exclente interfaz de aprendizaje.
Los orbitales se encuentran organizados en niveles de energía. Los electrones más cercanos al núcleo están en niveles de energía inferiores. Los niveles de energía superiores están localizados, en promedio, progresivamente más lejos del núcleo.
Niveles de Energía
¡Atención!
El número de máximo de electrones por nivel de energía se puede determinar por medio de la siguiente relación: 2n2.
Número máximo de electrones para cada nivel de energía
| Nivel de Energía | Número Máximo de Electrones |
|---|---|
| 1(K) | 2(1)2 = 2 |
| 2(L) | 2(2)2 = 8 |
| 3(M) | 2(3)2 = 18 |
| 4(N) | 2(4)2 = 32 |
| 5(O) | 2(5)2 = 50 |
| 6(P) | 2(6)2 = 72 |
Cada nivel de energía se divide en uno o más subniveles. Un subnivel está compuesto de orbitales que tienen las mismas características dentro de un nivel de energía. El número de subniveles que se encuentra dentro de un nivel de energía corresponde al número de nivel de energía (el número cuántico principal). Por lo tanto, el primer nivel de energía contiene únicamente un subnivel. El segundo nivel de energía dos subniveles, el tercero tres, y así sucesivamente. Cada subnivel se denota con una letra: s es el subnivel de energía más bajo; p es el siguiente subnivel con un poco más de energía; d tiene una energía aún mayor y f es el subnivel con mayor energía de los cuatro.
Niveles y Subniveles de Energía
Los subniveles se diferencian por la forma de las regiones donde hay mayor probabilidad de encontrar electrones. Un orbital s tiene forma esférica. El subnivel p tiene una distribución más compleja. Cada uno de los tres orbitales p se distribuyen a lo largo de cada uno de los tres ejes del sistema de coordenadas tridimensionales. Un subnivel p completo es una combinación de los tres orbitales p.
La diferencia entre un orbital del mismo tipo de subnivel pero que se encuentra en diferente nivel de energía, es el tamaño. Así, un orbital 1s comparado con un orbital 2s, se diferencian en que el orbital del nivel 2 es más grande, al grado que como se observa en el siguiente dibujo donde el orbital 1s está dentro del 2s y éste, dentro del 3s.
Tamaño de los Orbitales
Forma de los orbitales p
Orbitales s y p
Forma de los orbitales d
Orbitales d
Forma de los orbitales f
Orbitales Sobrepuestos
Guía de Estudio
Nube Electrónica y Teoría Atómica
Cuestionario
Responda las siguientes preguntas de manera concisa (2-3 oraciones por respuesta).
- ¿Qué se entiende por orbital atómico y por qué se utiliza este concepto para describir la ubicación de los electrones?
- ¿Cuál es el número máximo de electrones que puede contener un único orbital atómico, y en qué condiciones un orbital se considera vacío, semi-lleno o completamente lleno?
- Explique la relación entre los niveles de energía y la distancia promedio de los electrones con respecto al núcleo atómico.
- ¿Cómo se calcula el número máximo de electrones que puede albergar un nivel de energía principal, y proporcione los números máximos para los primeros cuatro niveles de energía (K, L, M, N)?
- Describa la relación entre un nivel de energía principal y sus subniveles de energía. ¿Cuántos subniveles existen en el tercer nivel de energía?
- ¿Cuáles son los nombres de los cuatro subniveles de energía principales, y cómo se diferencian en términos de su energía relativa?
- Describa brevemente la forma espacial de un orbital s y cómo se comparan en tamaño los orbitales s de diferentes niveles de energía.
- ¿Cómo es la forma de un subnivel p completo en términos de la distribución de sus orbitales constituyentes?
- ¿Qué es el principio de construcción (orden aufbau) y cómo se relaciona con el llenado de los subniveles de energía en un átomo?
- Mencione un ejemplo de la superposición de energía entre subniveles y explique su consecuencia en el orden de llenado de los orbitales.
Clave de Respuestas
- Un orbital atómico es una región del espacio alrededor del núcleo donde existe una alta probabilidad de encontrar un electrón. Este concepto se utiliza porque los electrones son partículas evasivas cuya ubicación y trayectoria exacta no se pueden determinar.
- Un orbital atómico puede contener un máximo de dos electrones. Un orbital está vacío si no contiene electrones, semi-lleno si contiene un electrón, y completamente lleno si contiene dos electrones.
- Los electrones en niveles de energía inferiores están más cerca del núcleo, mientras que los electrones en niveles de energía superiores se encuentran, en promedio, progresivamente más lejos del núcleo.
- El número máximo de electrones por nivel de energía se calcula mediante la fórmula 2n², donde 'n' es el número del nivel de energía. Para los primeros cuatro niveles: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32 electrones.
- Cada nivel de energía principal se divide en uno o más subniveles de energía. El número de subniveles dentro de un nivel de energía es igual al número del nivel de energía principal. Por lo tanto, el tercer nivel de energía contiene tres subniveles.
- Los cuatro subniveles de energía principales son s, p, d y f. El subnivel s tiene la energía más baja, seguido por p, luego d, y finalmente f con la energía más alta.
- Un orbital s tiene forma esférica. Los orbitales s de diferentes niveles de energía se diferencian en tamaño; un orbital s de un nivel de energía superior es más grande que un orbital s de un nivel de energía inferior (por ejemplo, 2s es más grande que 1s).
- Un subnivel p completo consiste en tres orbitales p que se distribuyen a lo largo de los tres ejes de un sistema de coordenadas tridimensionales (x, y, z), formando una distribución más compleja que la esférica del orbital s.
- El principio de construcción (orden aufbau) establece que los electrones llenan los orbitales atómicos en orden de energía creciente. Esto dicta la secuencia en la que se ocupan los diferentes subniveles durante la formación de la configuración electrónica de un átomo.
- Un ejemplo de superposición de energía ocurre entre el subnivel 3d y el 4s. Debido a esta superposición, los electrones tienden a llenar el orbital 4s antes de comenzar a llenar los orbitales 3d.
Preguntas de Ensayo
- Discuta en detalle el concepto de nube electrónica, explicando por qué es la forma en que los científicos describen la ubicación de los electrones en un átomo. Incluya en su explicación los términos orbital atómico y la probabilidad de encontrar un electrón.
- Explique la organización jerárquica de los electrones en un átomo, detallando la relación entre los niveles de energía principales, los subniveles de energía y los orbitales atómicos. ¿Cómo influye esta organización en las propiedades químicas de los elementos?
- Describa las formas de los orbitales s y p, y explique cómo la diferencia en estas formas contribuye a las distintas propiedades químicas y de enlace de los elementos que tienen electrones en estos orbitales.
- Analice el principio de construcción (orden aufbau) y su importancia para determinar la configuración electrónica de los átomos. Proporcione ejemplos de cómo la superposición de energía entre subniveles puede afectar el orden de llenado de los orbitales.
- ¿Cómo ha evolucionado la comprensión del modelo atómico hasta la concepción actual de la nube electrónica? Mencione brevemente modelos atómicos anteriores y cómo la evidencia experimental condujo al desarrollo del concepto de orbitales y la naturaleza probabilística de la ubicación de los electrones.
Glosario de Términos Clave
- Átomo
- La unidad básica de la materia que consiste en un núcleo central denso rodeado por una nube de electrones cargados negativamente.
- Núcleo
- La parte central densa y cargada positivamente de un átomo, que contiene protones y neutrones.
- Electrón
- Una partícula subatómica con carga eléctrica negativa que orbita el núcleo de un átomo.
- Nube Electrónica
- La región del espacio alrededor del núcleo de un átomo donde es más probable encontrar electrones. Describe la naturaleza probabilística de la ubicación de los electrones.
- Orbital Atómico
- Una región específica del espacio alrededor del núcleo de un átomo donde existe una alta probabilidad de encontrar un electrón. Cada orbital puede contener un máximo de dos electrones.
- Nivel de Energía Principal
- Un nivel de energía cuantificado en el que pueden residir los electrones de un átomo. Se designan con números enteros (n = 1, 2, 3, ...) o letras (K, L, M, ...), donde los números más bajos indican niveles de energía más cercanos al núcleo.
- Subnivel de Energía
- Una subdivisión de un nivel de energía principal, caracterizada por una forma específica de los orbitales que contiene. Los subniveles se designan con las letras s, p, d y f.
- Principio de Construcción (Orden Aufbau)
- Una regla que establece que los electrones llenan los orbitales atómicos en orden de energía creciente.
- Configuración Electrónica
- La disposición específica de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energía de un átomo.
- Superposición de Energía
- La situación en la que los niveles de energía de ciertos subniveles de diferentes niveles principales se acercan o incluso se invierten, afectando el orden de llenado de los orbitales.