Átomos y sus orbitales
Un átomo es un sistema de uno o más electrones unidos a un núcleo. Aquí hay una imagen cuántica de un microscopio de un átomo de hidrógeno:
https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.213001
El hidrógeno tiene un solo electrón, que existe como una nube de probabilidad difusa.
Esa nube de probabilidad se llama orbital (no órbita):
Orbital: región donde esperamos que esté un electrón el 90% del tiempo.
El orbital más simple es el orbital "s" (como el del electrón único del hidrógeno):
orbital s
Pero podemos tener más de un orbital, cada uno con un estado energético diferente.
Primero, juega con los diferentes modos de vibración que obtenemos en una simple cuerda:
Ahora juega con los interesantes modos de vibración en una superficie 2D como un tambor:
(Nota para los curiosos: la animación anterior utiliza la "Función Bessel" para calcular las diferentes formas en que una superficie puede vibrar cuando está fija en sus bordes).
¡Ahora imagina los modos de vibración alrededor de un núcleo!
Pues aquí están, con etiquetas:
orbitales s, p, d y f
Cada forma orbital
representa una forma diferente en la que los electrones pueden existir
alrededor del núcleo.
- Un orbital puede tener hasta dos electrones (cada uno con "espín" opuesto)
- Los electrones prefieren estar en el estado de energía más bajo posible.
- El orbital s tiene el estado de energía más bajo, después siguen p, d y f.
¡Pero hay un giro más! Un átomo alberga electrones en capas:
Átomo de carbono con dos capas.
- la primera capa (n=1) solo tiene un orbital s
- la segunda capa (n=2) puede tener orbitales s y p
- la tercera capa (n=3) puede tener orbitales s, p y d
- la cuarta capa (n=4) puede tener orbitales s, p, d y f
- las capas posteriores también pueden tener orbitales s, p , d y f (¡no se necesitan más para los elementos que conocemos!)
Entonces, con diferentes orbitales disponibles en diferentes capas...
... ¿dónde se ubica cada electrón?
Bueno, es como empacar cosas en una caja, los artículos encuentran sus ubicaciones de menor energía.
Para cada electrón tenemos la energía necesaria para la capa más la energía necesaria para el orbital.
Y obtenemos esto (observa cómo se superponen los niveles de energía):
energía de la capa más el orbital
El orden es 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, etc. ¡Pero hay excepciones! A esos molestos electrones no les gusta que les digan qué hacer excepto por la naturaleza.
Además, a un átomo le pueden pasar otras cosas.
Por ejemplo, la radiación puede arrancar un electrón del átomo, lee sobre la radiación para saber más.
Y un electrón puede "saltar" entre orbitales, emitiendo o absorbiendo luz de frecuencias específicas.
Las barras luminosas brillan porque una reacción energiza a los electrones, haciéndolos saltar a orbitales más altos y luego caer emitiendo luz.
Resumen
- Los electrones prefieren estar en el estado de energía más bajo posible.
- Cada electrón tiene un orbital, que es una región del espacio similar a una onda en la que es probable que se encuentre el electrón.
- Cada orbital, desde s hacia p, d y f, tiene un estado de energía más alto.
- Los orbitales están en capas alrededor del átomo:
- la primera capa (n=1) solo tiene un orbital s
- la segunda capa (n=2) puede tener orbitales s y p
- la tercera capa (n=3) puede tener orbitales s, p y d
- la cuarta capa (n=4) puede tener orbitales s, p, d y f
- Cada orbital puede tener hasta dos electrones (cada uno con "espín" opuesto).
- Los orbitales en su conjunto definen dónde estarán los electrones.
La disposición de los electrones, particularmente los electrones en las capas más externas, provoca el comportamiento químico de los átomos.
¡Ahora es el momento de aprender sobre la tabla periódica y los electrones para continuar el siguiente capítulo de la historia!
