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A medida que un planeta se mueve alrededor del sol, se puede trazar su trayectoria precisa, llamada órbita. Una visión muy simplificada del átomo tiene un aspecto similar, en el que los electrones orbitan alrededor del núcleo. No obstante, la verdad es otra. Los electrones habitan, en realidad, en regiones del espacio llamadas orbitales. Orbitales y órbitas son palabras que guardan similitud, pero cuyos conceptos son muy diferentes y no deben confundirse.
El modelo de Bohr
En física atómica, el modelo de Bohr describe un átomo como un pequeño núcleo con carga positiva rodeado de electrones. Estos electrones se mueven en órbitas circulares alrededor del núcleo; es una estructura similar a la del sistema solar, salvo que son las fuerzas electrostáticas, y no la gravedad, las que ejercen la atracción.
Aunque es útil para explicar la reactividad y el enlace químico de algunos elementos, el modelo de Bohr del átomo no refleja con exactitud cómo se distribuyen los electrones en el espacio alrededor del núcleo. Esto se debe a que los átomos no giran alrededor del núcleo como la Tierra alrededor del Sol, sino que se encuentran en los orbitales de los electrones. Estas formas relativamente complejas se deben a que los electrones no solo se comportan como partículas, sino también como ondas. Las ecuaciones matemáticas de la mecánica cuántica, conocidas como funciones de onda, pueden predecir, con un cierto nivel de probabilidad, dónde puede estar un electrón en un momento dado. Así, la zona en la que es más probable que esté un electrón se llama su órbita.
Orbitales atómicos
Los orbitales atómicos tienen formas distintas pero todos están centrados en el núcleo atómico. Los orbitales más comunes en la química cuántica elemental son los orbitales correspondientes a las subcapas s, p y d. Sin embargo, en los estados básicos de los átomos más pesados también se encuentran orbitales f. El orden en el que los electrones llenan los orbitales atómicos y la forma de los orbitales son factores cruciales para entender el comportamiento químico de los átomos y sus reacciones.
Primera capa de electrones
El orbital más cercano al núcleo, llamado orbital 1s, puede contener hasta dos electrones. Se llama orbital 1s porque es esférico alrededor del núcleo. El orbital 1s siempre se llena antes que cualquier otro orbital.
El hidrógeno, por ejemplo, tiene un electrón. Por lo tanto, solo un punto del orbital 1s está ocupado. Este punto se designa como 1s1, donde el superíndice 1 se refiere al electrón en el orbital 1s. El helio, por otra parte, tiene dos electrones, por lo que puede llenar completamente el orbital 1s con sus dos electrones. Esto se llama 1s2, en referencia a los dos electrones del helio en el orbital 1s.
En la tabla periódica, el hidrógeno y el helio son los dos únicos elementos de la primera fila (período), porque son los únicos que tienen electrones solo en su primera capa, el orbital 1s.
Segunda capa de electrones
La segunda capa de electrones puede contener ocho electrones. Esta capa contiene otro orbital s esférico y tres orbitales p en forma de campana, cada uno de los cuales puede contener dos electrones. Una vez que se llena el orbital 1s, se llena la segunda capa de electrones, llenando primero su orbital 2s y luego sus tres orbitales p. Al llenar los orbitales p, cada uno toma un solo electrón; cuando cada orbital p tiene un electrón, se puede añadir un segundo.
Para ejemplificar podemos usar el litio (Li), que contiene tres electrones que ocupan la primera y la segunda capa. Dos electrones llenan el orbital 1s y el tercer electrón llena el orbital 2s. Así, la configuración electrónica del litio es 1s22s1.
El neón (Ne), por su parte, tiene un total de diez electrones: dos están en el orbital 1s más interno y ocho llenan su segunda capa (dos en el orbital 2s y tres en el orbital p). Por tanto, es un gas inerte y energéticamente estable, motivo por el cual rara vez forma un enlace químico con otros átomos.
Tercera capa de electrones
Los elementos más grandes tienen orbitales adicionales, que constituyen la tercera capa electrónica. Los subcapítulos d y f tienen formas más complejas y contienen cinco y siete orbitales respectivamente. La capa principal 3n tiene subcapas s, p y d y puede contener 18 electrones. La capa principal 4n tiene orbitales s, p, d y f y puede contener 32 electrones.
A medida que nos alejamos del núcleo, aumenta el número de electrones y orbitales presentes en los niveles de energía. Al pasar de un átomo a otro en la tabla periódica, la estructura electrónica puede construirse colocando un electrón más en el siguiente orbital disponible.
Propiedades de electrones en los orbitales
Los electrones muestran dualidad onda-partícula, lo que significa que exhiben algunas propiedades de partículas y algunas características de ondas. Entre las propiedades de partículas está, por ejemplo, que un electrón solo tiene una carga eléctrica de -1 y el movimiento de los electrones en los orbitales.
Por otra parte, los electrones no orbitan alrededor del núcleo como la Tierra lo hace con el Sol. La órbita es una onda estacionaria, con niveles de energía como armónicos en una cuerda vibrante. El nivel de energía más bajo de un electrón es como la frecuencia fundamental de una cuerda vibrante, mientras que los niveles de energía más altos son como armónicos. Finalmente, la región que podría contener un electrón se parece más a una nube o atmósfera, excepto cuando la probabilidad dibuja una esfera, pues solo aplica cuando un átomo tiene un solo electrón.
Fuentes
- Barradas, F. (2016). Los orbitales en la educación química: un análisis mediante su representación gráfica.
- De Jesús, E. (2003). Orbitales y enlaces químicos.
