La tabla periódica, capas de electrones y orbitales

El modelo de Bohr y los orbitales atómicos. El uso de la tabla periódica para predecir sus propiedades, la configuración electrónica y reactividad de un elemento.

Introducción

En algún momento de tu educación química, puedes haber escuchado la canción "The Elements" ("Los elementos"), en la que Tom Lehrer hace una rápida interpretación musical de los nombres de los elementos. Como yo, es posible que también te hayan ofrecido la oportunidad de memorizarla para obtener puntos extras. De ser así, puede que todavía recuerdes los nombres de todos los elementos, lo que es una hazaña impresionante, sin mencionar que es un truco divertido en las fiestas.
Si has memorizado los nombres de los elementos ¿significa que no volverás a necesitar una tabla periódica? Pues... en realidad no, porque la tabla periódica no es solo una gran caja que contiene a todos los elementos, sino más bien es un sistema de archivo. La posición de cada elemento en la tabla brinda una información importante acerca de su estructura, propiedades y comportamiento en las reacciones químicas. Específicamente, la posición de un elemento en la tabla periódica ayuda a averiguar su configuración electrónica, la manera como se organizan los electrones alrededor del núcleo. Los átomos usan sus electrones para participar en reacciones químicas, así que saber la configuración electrónica de un elemento te permite predecir su reactividad, es decir, si va a interactuar, y de qué manera, con átomos de otros elementos.
En este artículo, veremos con más detalle la tabla periódica, cómo los átomos organizan sus electrones y cómo esto nos permite predecir la reactividad de los elementos.

La tabla periódica

Por convención, los elementos están organizados en la tabla periódica, una estructura que captura los patrones importantes de su comportamiento. Diseñada por el químico ruso Dmitri Mendeleev (1834–1907) en 1869, la tabla organiza los elementos en columnas —grupos— y filas —periodos— que comparten ciertas propiedades. Estas propiedades determinan el estado físico de un elemento a temperatura ambiente —gas, sólido, o líquido—, así como su reactividad química, la habilidad de formar enlaces químicos con otros átomos.
Además de enlistar el número atómico de cada elemento, la tabla periódica también muestra la masa atómica relativa del elemento, la media ponderada de sus isótopos que ocurren naturalmente en la Tierra. Si vemos al hidrógeno, por ejemplo, aparecen su nombre y su símbolo, H,\text{H,} así como su número atómico de 1 —en la esquina superior izquierda— y su masa atómica relativa de 1.01.
La tabla periódica de los elementos
Crédito de imagen: modificada de OpenStax Biology
Las diferencias en la reactividad química entre los elementos se basan en el número y distribución espacial de sus electrones. Si dos átomos tienen patrones de electrones complementarios, pueden reaccionar y formar un enlace químico, lo que crea una molécula o compuesto. Como veremos a continuación, la tabla periódica organiza los elementos de modo que reflejen su número y patrón de electrones, lo que la hace útil para predecir la reactividad de un elemento: qué tan probable es que forme enlaces y con qué otros elementos.

Las capas de electrones y el modelo de Bohr

El científico danés Niels Bohr (1885-1962) desarrolló un primer modelo del átomo en 1913. El modelo de Bohr muestra el átomo como un núcleo central compuesto de protones y neutrones, con los electrones en capas circulares a distancias específicas del núcleo, de manera semejante a los planetas que orbitan alrededor del sol. Cada capa de electrones tiene un nivel de energía diferente, las más cercanas al núcleo son de menor energía que las más lejanas. Por convención, a cada capa se le asigna un número y el símbolo n: la capa de electrones más cercana al núcleo por ejemplo, se denomina 1n. Para moverse entre capas, un electrón debe absorber o liberar una cantidad de energía que corresponda exactamente a la diferencia de energía que hay entre las capas. Por ejemplo, si un electrón absorbe energía de un fotón, puede excitarse y moverse a una capa de mayor energía; por el contrario, cuando un electrón regresa a una capa de menor nivel energético, libera energía, a menudo en forma de calor.
Modelo atómico de Bohr que muestra los niveles de energía como círculos concéntricos que rodean al núcleo. Es necesario añadir energía para mover un electrón hacia afuera, a un nivel de mayor energía, y cuando un electrón cae de un nivel energético mayor a uno más interno, se libera energía.
Crédito de imagen: modificada de OpenStax Biology
Los átomos, como otras cosas gobernadas por las leyes de la física, tienden a tomar la configuración más estable y de menor energía posible. Así, las capas de electrones de un átomo se rellenan de adentro hacia afuera, donde los electrones llenan las capas de menor energía más cercanas al núcleo antes de moverse hacia las capas exteriores de mayor energía. La capa más cercana al núcleo, 1n, puede contener dos electrones; la segunda, 2n, puede contener ocho, y la tercera, 3n, hasta dieciocho electrones.
El número de electrones de la capa externa de un átomo particular determina su reactividad o tendencia a formar enlaces químicos con otros átomos. A esta capa externa se le conoce como capa de valencia y a los electrones que se encuentran dentro de ella se les llama electrones de valencia. En general, los átomos son más estables, menos reactivos, cuando su capa de electrones externa se encuentra completa. La mayoría de los elementos importantes en la biología necesitan ocho electrones en su capa externa para ser estables y esta regla se conoce como regla del octeto. Algunos átomos pueden ser estables con un octeto incluso cuando su capa de valencia es la capa 3n que puede contener hasta 18 electrones. Veremos por qué ocurre esto cuando expliquemos los orbitales atómicos más adelante.
A continuación se muestran ejemplos de algunos átomos neutros y sus configuraciones electrónicas. En esta tabla, puedes ver que el helio tiene una capa de valencia completa, con dos electrones en su primera y única capa, 1n. De manera similar, el neón tiene una capa externa 2n completa con ocho electrones. Estas configuraciones electrónicas hacen que el helio y el neón sean muy estables. Aunque el argón técnicamente no tiene una capa de valencia completa, ya que la capa 3n puede contener hasta dieciocho electrones, es estable como el neón y el helio porque tiene ocho electrones en su capa 3n y por lo tanto cumple con la regla del octeto. En contraste, el cloro tiene únicamente siete electrones en su capa más externa, mientras que el sodio solo tiene uno. Estos patrones no llenan la capa exterior ni cumplen con la regla del octeto, lo que hace que el cloro y el sodio sean reactivos, ávidos por ganar o perder electrones para alcanzar una configuración más estable.
Diagramas de Bohr de varios elementos
Crédito de la imagen: OpenStax Biology

Configuración electrónica y la tabla periódica

Los elementos en la tabla periódica se ordenan de acuerdo a su número atómico, cuántos protones tienen. En un átomo neutro, el número de electrones será igual al número de protones, de forma que podemos determinar fácilmente el número de electrones a partir del número atómico. Adicionalmente, la posición de un elemento en la tabla periódica —su columna o grupo, y fila o periodo— proporciona información útil sobre cómo están dispuestos sus electrones.
Si consideramos solo las primeras tres filas de la tabla, que incluyen a los principales elementos importantes para la vida, cada fila corresponde al llenado de una capa de electrones diferente: el helio y el hidrógeno colocan sus electrones en la capa 1n, mientras que los elementos de la segunda fila como el Li comienzan a llenar la capa 2n y los elementos de la tercera fila como el Na continúan con la capa 3n. De manera similar, el número de columna de un elemento nos da información acerca de su número de electrones de valencia y su reactividad. En general, el número de electrones de valencia es el mismo dentro de una columna y aumenta de izquierda a derecha dentro de una fila. Los elementos del grupo 1 tienen solo un electrón de valencia y los del grupo 18 tienen ocho, excepto el helio, que solo tiene dos electrones en total. De este modo, el número de grupo puede predecir qué tan reactivo será cada elemento:
  • El helio (He\text{He}), el neón (Ne\text{Ne}) y el argón (Ar\text{Ar}), como elementos del grupo 18, tienen su capa externa completa o satisfacen la regla del octeto. Esto los hace muy estables como átomos individuales. Debido a su falta de reactividad son denominados gases inertes o gases nobles.
  • El hidrógeno (H\text{H}), el litio (Li\text{Li}) y el sodio (Na\text{Na}), como elementos del grupo 1, tienen solo un electrón en su capa exterior. Son inestables como átomos individuales pero pueden estabilizarse al perder o compartir un electrón de valencia. Si estos elementos pierden completamente un electrón —como hacen normalmente el Li\text{Li} y el Na\text{Na}— se convierten en iones de carga positiva: Li+\text{Li}^+ y Na+\text{Na}^+.
  • El flúor (F\text{F}) y el cloro (Cl\text{Cl}), como elementos del grupo 17, tienen siete electrones en su capa exterior. Tienden a alcanzar un octeto estable al tomar un electrón de otros átomos y se convierten en iones con carga negativa: F\text{F}^- and Cl\text{Cl}^-.
  • El carbono (C\text{C}), como un elemento del grupo 14, tiene cuatro electrones en su capa exterior. Generalmente, el carbono comparte electrones para obtener una capa de valencia completa, y así forma enlaces con muchos otros átomos.
Entonces, las columnas de la tabla periódica reflejan el número de electrones que se encuentran en la capa de valencia de cada elemento, lo que a su vez determina cómo va a reaccionar.

Subcapas y orbitales

El modelo de Bohr es útil para explicar la reactividad y la formación de enlaces de muchos elementos pero, en realidad, no da una descripción muy precisa de cómo están distribuidos los electrones en el espacio alrededor del núcleo. Específicamente, los electrones no circundan el núcleo, sino que pasan la mayor parte de su tiempo en regiones del espacio que a veces tienen formas complicadas alrededor del núcleo denominadas orbitales electrónicos. Realmente no podemos saber dónde está un electrón en cualquier momento dado, pero podemos determinar matemáticamente el volumen de espacio en el que es más probable encontrarlo, digamos, el volumen de espacio en el que pasa el 90% de su tiempo. Esta región de alta probabilidad es lo que conforma un orbital y cada orbital puede contener hasta dos electrones.
Así que, ¿cómo encajan estos orbitales definidos matemáticamente con las capas de electrones del modelo de Bohr? Podemos dividir cada capa de electrones en una o más subcapas, que simplemente son conjuntos de uno o más orbitales. Las subcapas se designan con las letras ss, pp, dd y ff, y cada letra indica una forma diferente. Por ejemplo, las subcapas ss tienen un único orbital esférico, mientras que las pp tienen tres orbitales en forma de mancuerna con ángulos rectos entre ellos. La mayor parte de la química orgánica, la química de los compuestos que contienen carbono y que son fundamentales para la biología, trata sobre interacciones entre electrones de las capas ss y pp, así que estas son las capas con las que hay que familiarizarse. Sin embargo, los átomos con muchos electrones pueden distribuir algunos de ellos en las subcapas dd y ff. Las subcapas dd y ff tienen formas más complejas y contienen cinco y siete orbitales, respectivamente.
Diagrama tridimensional de los orbitales circulares 1s y 2s y los orbitales 2p con forma de mancuerna. Hay tres orbitales 2p, y tienen ángulos rectos entre sí.
Crédito de imagen: modificada de OpenStax Biology
La primera capa de electrones, 1n, corresponde a un solo orbital 1s1s. El orbital 1s1s es el más cercano al núcleo y es el primero en llenarse con electrones, antes que cualquier otro orbital. El hidrógeno tiene solo un electrón, así que tiene solo un lugar ocupado en su orbital 1s1s. Esto puede escribirse en una forma abreviada denominada configuración electrónica como 1s11s^ 1, donde el superíndice 1 se refiere al único electrón del orbital 1s1s. El helio tiene dos electrones, así que puede completar el orbital 1s1s con sus dos electrones. Esto se escribe 1s21s^ 2, y se refiere a los dos electrones del helio en el orbital 1s1s. En la tabla periódica, el hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos en la primera fila, o periodo, lo que refleja que solo tienen electrones en su primera capa. El hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos que tienen electrones exclusivamente en su orbital 1s1s en su estado neutro, sin carga.
La segunda capa de electrones, 2n, contiene otro orbital esférico ss más tres orbitales pp en forma de mancuernas, cada uno de los cuales puede tener dos electrones. Una vez que el orbital 1s1s está completo, se empieza a llenar la segunda capa de electrones, en la que los electrones entran primero al orbital 2s2s y luego llenan los tres orbitales pp. Los elementos en la segunda fila de la tabla periódica distribuyen sus electrones en las capas 2n y 1n. Por ejemplo, el litio (Li\text{Li}) tiene tres electrones: dos llenan el orbital 1s1s y el tercero se coloca en el orbital 2s2s, lo que da una configuración electrónica de 1s21s^ 2 2s12s^ 1. En cambio, el neón (Ne\text{Ne}) tiene un total de diez electrones: dos en su orbital 1s1s más interno y ocho que llenan su segunda capa ( dos en el orbital 2s2s y dos en cada uno de los tres orbitales pp, 1s21s^ 2 2s22s^ 2 2p62p^6). Debido a que su capa 2n está completa, es energéticamente estable como átomo individual y rara vez formará enlaces químicos con otros átomos.
La tercera capa de electrones, 3n, también tiene un orbital ss y tres orbitales pp, y los elementos de la tercera fila de la tabla periódica distribuyen sus electrones en estos orbitales del mismo modo que los elementos de la segunda fila lo hacen con su capa 2n. La capa 3n también tiene un orbital dd, pero este orbital tiene una energía considerablemente mayor que los orbitales 3s3s y 3p3p, y no comienza a llenarse sino hasta la cuarta fila de la tabla periódica. Esa es la razón por la que los elementos de la tercera fila, como el argón, pueden ser estables con solo ocho electrones de valencia: sus subcapas ss y pp están completas aun cuando su capa 3n no esté totalmente llena.
Aunque las capas de electrones y los orbitales están estrechamente relacionados, los orbitales proporcionan una imagen más precisa de la configuración electrónica de un átomo. Esto es porque los orbitales realmente especifican la forma y posición de las regiones del espacio que ocupan los electrones.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Átomos, isótopos, iones y moléculas: los componentes fundamentales” de OpenStax College, Biología, CC BY 3.0.
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El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias adicionales

"Atomic structure: the Bohr model." (La estructura del átomo: el modelo de Bohr). Dummies.com. 2015. http://www.dummies.com/how-to/content/atomic-structure-the-bohr-model.html
"Electron shell." (Capa electrónica) Wikipedia. 12 de junio de 2015. Consultado el 24 de junio de 2015. https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_shell.
Raven, P. H., G. B. Johnson, K. A. Mason, J. B. Losos y S. R. Singer. "The nature of molecules and properties of water." (La naturaleza de las moléculas y las propieddes del agua). En Biology, 17-30. 10° ed. AP ed. Nueva York, NY: McGraw-Hill, 2014.
Reece, J. B., L. A. Urry, M. L. Cain, S. A. Waasserman, P. V. Minorsky y R. B. Jackson. "The chemical Context of life." (El contexto químico de la vida). En Campbell Biology, 28-43. 10° ed. San Francisco, CA: Pearson, 2011.
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