Principios básicos de la configuración electrónica

Principio de exclusión de Pauli: en un átomo no pueden existir dos electrones cuyos números cuánticos sean idénticos. Por tanto, en cada orbital habrá, como máximo, dos electrones con espines opuestos.

De mínima energía (principio de Aufbau): los electrones ocupan los orbitales de menor energía disponibles. La energía de un orbital viene determinada por la suma n + l. Cuanto menor sea esta suma, menor será la energía del orbital. Si varios orbitales tienen el mismo valor de la suma, tendrá menor energía el orbital con menor valor de n.

Regla de Hund: cuando hay varios orbitales de igual energía (degenerados), la configuración más favorable es la que maximiza el número de electrones desapareados. En consecuencia, ninguno de los orbitales del mismo tipo se llenará con dos electrones mientras los restantes no contengan al menos un electrón. Los orbitales llenos o medio llenos tienden a ser más estables.

Factores que determinan las propiedades periódicas

Las propiedades periódicas dependen de varias magnitudes relacionadas con la carga del núcleo y la distribución electrónica externa.

Carga nuclear

Es la carga positiva del núcleo del átomo, igual al número de protones o número atómico (Z).

Efecto pantalla

Las capas electrónicas internas, situadas entre el núcleo y la capa de valencia, provocan una repulsión sobre los electrones más exteriores que disminuye el efecto de la carga nuclear. Esto se denomina efecto pantalla. La combinación de la carga nuclear y del efecto pantalla se conoce como carga nuclear efectiva (CNE), ya que parte de la carga del núcleo queda compensada por la repulsión de los electrones internos.

Capa de valencia

La capa de valencia determina la distancia de los electrones más exteriores al núcleo. En el átomo se establecen interacciones electrostáticas entre el núcleo (positivo) y los electrones; estas interacciones dependen de la distancia entre ambos.

Tendencias y propiedades específicas

Radio atómico

El radio atómico es la distancia que separa al núcleo del átomo de su electrón más periférico. La variación del radio atómico depende de:

• Carga nuclear efectiva (CNE): a mayor CNE, mayor atracción electrostática del núcleo sobre la nube electrónica y menor radio atómico.
• Efecto pantalla: al descender en un grupo aumenta el efecto pantalla por el incremento del número de capas electrónicas entre el núcleo y la capa de valencia, lo que aumenta el radio atómico.
• Capa de valencia: al incrementarse el número de capas, las repulsiones interelectrónicas provocan expansión de la nube electrónica y aumento del radio.

Radio iónico

Los átomos cambian de tamaño cuando ganan o pierden electrones para alcanzar una estructura electrónica más estable. El radio iónico es el tamaño del ion resultante:

• Aniones: su radio es mayor que el del átomo neutro porque tienen más electrones, lo que incrementa el apantallamiento y disminuye la atracción efectiva del núcleo sobre los electrones externos.
• Cationes: su radio es menor que el del átomo neutro, ya que al perder electrones la atracción nuclear sobre los electrones restantes aumenta y el apantallamiento disminuye.

Energía de ionización

La energía de ionización (EI) se define como la energía mínima que hay que proporcionar a un átomo en estado gaseoso y en su estado fundamental para arrancarle un electrón de su capa de valencia. Las tendencias son:

• Al avanzar en un período aumenta la carga nuclear efectiva y, por tanto, la energía electrostática sobre la nube electrónica, incrementándose la energía necesaria para arrancar electrones (mayor EI).
• Al descender en un grupo aumenta el número de capas y el efecto pantalla, disminuye la carga nuclear efectiva sobre el electrón más externo y, por tanto, disminuye la EI.
• Puede haber discontinuidades si al ganar o perder un electrón se altera una estructura de capa completa o semiocupada.

Afinidad electrónica

La afinidad electrónica (AE) es la energía que cede o desprende un átomo en estado gaseoso y fundamental cuando capta un electrón. Las tendencias son:

• A mayor carga nuclear efectiva, mayor atracción sobre el electrón captado y, por tanto, se libera más energía (AE mayor).
• Al descender en un grupo la carga nuclear efectiva disminuye y se libera menos energía al captar un electrón (AE menor).
• Si la capa de valencia es más extensa, el electrón captado queda más alejado del núcleo, experimenta menor atracción y se libera menos energía.

Electronegatividad

La electronegatividad es la tendencia de un átomo a atraer hacia sí el par de electrones compartido en un enlace químico. Algunas notas clave:

• Los gases nobles carecen, en general, de valor de electronegatividad útil porque no forman enlaces con facilidad.
• La diferencia de electronegatividad entre dos átomos ayuda a predecir el tipo de enlace: una diferencia grande favorece un enlace iónico; una diferencia pequeña favorece un enlace covalente.
• Carácter metálico: se relaciona con propiedades como la conductividad eléctrica y la capacidad de combinarse con no metales para formar sales. Los elementos más activos como metales se encuentran abajo a la izquierda de la tabla periódica; los no metales más reactivos se encuentran arriba a la derecha.

Fotones y radiación electromagnética

Un fotón es un cuanto de radiación electromagnética: una partícula de energía en estado puro que no posee masa de reposo. La energía de un fotón depende de su frecuencia según la relación E = h·ν. Por tanto, a mayor frecuencia, mayor energía; a mayor longitud de onda, menor energía. La energía de una radiación es la energía de cada uno de sus fotones, mientras que la intensidad viene determinada por el número de fotones.

Frecuencia umbral: es la frecuencia mínima que debe tener la radiación para que se produzca el efecto fotoeléctrico en un determinado metal. Si la frecuencia de la radiación incidente está por debajo de esa frecuencia umbral, no se produce el efecto fotoeléctrico.

Modelo de Bohr

Postulados básicos de Bohr:

1. Los átomos tienen un núcleo que contiene los protones, alrededor del cual giran los electrones en órbitas circulares estables. En estas órbitas los electrones no emiten energía en su movimiento.
2. Las órbitas permitidas para el electrón son aquellas que cumplen el criterio de estabilidad: el momento angular es un número entero de veces de la constante h dividida por 2π, es decir, m·v·r = n·h / (2π).
3. Los electrones pueden pasar de una órbita a otra absorbiendo o emitiendo energía en forma de radiación electromagnética (fotones). La energía de los fotones absorbidos o emitidos es igual a la diferencia de energía entre dichas órbitas: ΔE = h·ν.

Limitaciones del modelo de Bohr

El modelo de Bohr presenta limitaciones al tratar átomos con más de un electrón. Además, mejoras en métodos espectroscópicos (nuevas líneas en el espectro) y los desarrollos de la mecánica cuántica —la dualidad onda-corpúsculo y el principio de incertidumbre— ponen límites al modelo de Bohr.

Modelo mecano-cuántico

En el modelo mecano-cuántico el átomo está formado por un núcleo (protones y neutrones) y electrones situados en diferentes estados energéticos que no pueden definirse con exactitud en posición y momento simultáneamente. Se pasa del concepto de órbita al de orbital:

Un orbital es una región del espacio en la que hay una determinada probabilidad de hallar un electrón; no es un punto fijo, sino un estado energético. La función de onda (ψ), solución de la ecuación de onda de Schrödinger, permite conocer la probabilidad de encontrar al electrón en una región determinada.

Principio de onda-corpúsculo (De Broglie)

Cualquier partícula de masa m y velocidad v puede asociarse a una onda cuya longitud de onda viene dada por la expresión λ = h / (m·v). La luz presenta comportamiento dual: ondulatorio y corpuscular. La condición de que la longitud de la órbita del electrón alrededor del núcleo sea un número entero de longitudes de onda asociadas conduce a las ondas estacionarias permitidas.

Principio de incertidumbre de Heisenberg

En la escala subatómica los estados de los sistemas son difusos: es conceptualmente imposible conocer simultáneamente y con exactitud la posición y el momento lineal p = m·v de una partícula. Esta es la esencia del principio de incertidumbre de Heisenberg.

Ecuación de onda de Schrödinger

El carácter ondulatorio del electrón en el átomo queda definido por la llamada función de onda, obtenida como solución de la ecuación de Schrödinger. La función de onda incorpora las condiciones que debe cumplir cada electrón para que el átomo sea estable y permite calcular la probabilidad de encontrar el electrón en distintas regiones del espacio.

Louis de Broglie extendió este doble carácter onda-corpúsculo a toda la materia: cualquier partícula en movimiento tendría una onda asociada.