¿Qué son los subniveles de energía?
Los subniveles de energía en el átomo son la forma en la cual los electrones se organizan en las capas electrónicas, su distribución en la molécula o átomo. Estos subniveles de energía se llaman orbitales.
La organización de los electrones en subniveles es lo que permite las combinaciones químicas de diferentes átomos y también define su posición dentro de la Tabla Periódica de Elementos.
Los electrones se disponen en las capas electrónicas del átomo de una determinada manera por una combinación de estados cuánticos. En el momento en que uno de esos estados es ocupado por un electrón, los otros electrones deben ubicarse en un estado diferente.
Introducción
Cada elemento químico en la tabla periódica consiste en átomos, que a su vez están compuestos de neutrones, protones y electrones. Los electrones son partículas con carga negativa que se encuentran alrededor del núcleo de cualquier átomo, distribuidos en los orbitales.
Los orbitales de electrones son el volumen de espacio en donde un electrón tiene el 95% de posibilidades de encontrarse. Existen diferentes tipos de orbitales, con diferentes formas. En cada orbital pueden ubicarse un máximo de dos electrones. El primer orbital de un átomo es donde existe la mayor probabilidad de encontrar electrones.
Los orbitales se designan con las letras s, p, d y f, es decir, Sharp, Principle, Diffuse y Fundamental, y se combinan cuando se unen los átomos para formar una molécula más grande. En cada capa del átomo se encuentran estas combinaciones de orbitales.
Por ejemplo, en la capa 1 del átomo se encuentran los orbitales S, en la capa 2 hay orbitales S y P, dentro de la capa 3 hay orbitales S, P y D y finalmente en la capa 4 del átomo están todos los orbitales S, P, D y F.
Además, en los orbitales encontramos diferentes subniveles, que a su vez pueden guardar más electrones. Los orbitales en diferentes niveles de energía son similares unos a otros, pero ocupan áreas diferentes en el espacio.
El primer orbital y el segundo orbital tienen las mismas características que un orbital S: cuentan con nodos radiales, tienen mayores probabilidades de volumen esférico y solo pueden sostener dos electrones. Sin embargo, se ubican en diferentes niveles energéticos y de este modo ocupan distintos espacios alrededor del núcleo.
Ubicación en la tabla periódica de elementos
Cada una de las configuraciones electrónicas de los elementos son únicas, es por esto que determinan su posición en la tabla periódica de elementos. Esta posición se define por el periodo de cada elemento y su número atómico por la cantidad de electrones que tenga el átomo del elemento.
De este modo, usar la tabla periódica para determinar la configuración de los electrones en los átomos es clave. Los elementos se dividen en grupos de acuerdo a sus configuraciones electrónicas del siguiente modo:
Cada orbital se representa en bloques específicos dentro de la tabla periódica de elementos. Por ejemplo, el bloque de orbitales S es la región de los metales alcalinos, el primer grupo de la tabla, y donde se encuentran seis elementos: litio (Li), rubidio (Rb), potasio (K), sodio (Na), francio (Fr) y cesio (Cs), y también el hidrógeno (H), que no es un metal, sino un gas.
Este grupo de elementos tiene un electrón, que suele perderse fácilmente para formar un ion con carga positiva. Son los metales más activos y los más reactivos.
El hidrógeno es un gas, pero se encuentra dentro del grupo 1 de la tabla periódica de elementos, ya que también tiene solo un electrón. El hidrógeno puede formar iones con una sola carga positiva, pero lograr sacar su único electrón requiere mucha más energía que para remover los electrones de los otros metales alcalinos. Al formar compuestos, el hidrógeno suele generar enlaces covalentes.
Sin embargo, bajo altísimas presiones, el hidrógeno se vuelve metálico y se comporta como el resto de los elementos de su grupo. Esto ocurre, por ejemplo, al interior del núcleo del planeta Júpiter.
El grupo 2 corresponde a los metales alcalinotérreos, ya que sus óxidos tienen propiedades alcalinas. Entre los elementos de este grupo encontramos magnesio (Mg) y calcio (Ca). Sus orbitales también pertenecen al nivel S.
Los metales de transición, que corresponden a los grupos de 3 al 12 en la tabla periódica, tienen orbitales del tipo D.
Los elementos que van desde el grupo 13 al 18 en la tabla corresponden a orbitales P. Y finalmente los elementos conocidos como lantánidos y actínidos tienen orbitales de tipo F.
Ubicación del electrón en los orbitales
Los electrones se encuentran en los orbitales del átomo como una forma de disminuir la energía. Por lo tanto, si buscan aumentar la energía, los electrones llenarán los principales niveles orbitales, alejándose del núcleo del átomo.
Hay que considerar que los electrones tienen una propiedad intrínseca conocida como espín. Esto es un concepto cuántico que determina, entre otras cosas, el giro del electrón dentro del orbital. Lo que es fundamental para determinar su posición en los subniveles de energía.
Las reglas que determinan la posición de los electrones en los orbitales del átomo son las siguientes:
- Principio de Aufbau: los electrones ingresan a los orbitales con menor energía primero. Este principio se basa en los diagramas de los niveles energéticos de determinados átomos.
- Principio de Exclusión de Pauli: un orbital atómico puede describir a lo menos dos electrones. Esto significa que solo dos electrones con diferente espín de electrón pueden ocupar un orbital atómico.
Esto implica que un orbital atómico es un estado energético.
- Regla de Hund: Cuando los electrones ocupan orbitales de la misma energía, los electrones ingresarán a los orbitales vacíos primero. Esto significa que los electrones prefieren espines paralelos en orbitales separados de los subniveles energéticos.
Los electrones irán llenando todos los orbitales en los subniveles antes de encontrarse con espines opuestos.
Configuraciones electrónicas especiales
También hay átomos con casos especiales de subniveles energéticos. Cuando dos electrones ocupan el mismo orbital, no solo deben tener diferentes espines (como lo indica el principio de Exclusión de Pauli), sino que el acoplamiento de los electrones eleva ligeramente la energía.
En el caso de los subniveles energéticos, un subnivel medio lleno y uno lleno completo, reducen la energía del átomo. Esto lleva al átomo a tener mayor estabilidad.
Referencias
- Electron Configuration. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Orbitals and Bonds. Recuperado de chem.fsu.edu.
- Electron Spin. Recuperado de hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.