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¿Por qué los electrones se mueven en los átomos de una manera tan singular?
En física atómica y química cuántica, el movimiento de los electrones es único, y su estructura y comportamiento son parte de él. La forma en que se distribuyen los electrones en los átomos o moléculas afecta en gran medida muchas propiedades físicas y químicas. Este artículo explorará en profundidad cómo la distribución y el movimiento de los electrones afectan la estructura y las propiedades químicas.
Configuración electrónica y estructura atómica
La llamada configuración electrónica describe la distribución de electrones en varios orbitales atómicos en un átomo o molécula. Por ejemplo, la configuración electrónica de un átomo de neón es 1s2 2s2 2p6, lo que significa que las subcapas 1s, 2s y 2p están ocupadas por dos, dos y seis electrones, respectivamente. Estas configuraciones muestran a cada electrón moviéndose en una órbita separada, influenciada por el campo promedio creado por el núcleo y los otros electrones.
Según las leyes de la mecánica cuántica, cada configuración electrónica está asociada a un nivel de energía.
El concepto de capas y subcapas electrónicas
La configuración de los electrones fue propuesta por primera vez con base en el modelo de Bohr. A pesar de la creciente comprensión de las propiedades mecánicas cuánticas de los electrones, los conceptos de capas y subcapas de electrones todavía se mencionan con frecuencia. El número cuántico principal n de cada capa define los estados permitidos. Por ejemplo, la primera capa puede contener hasta dos electrones, mientras que la segunda capa puede contener ocho electrones, y el número de electrones aumenta a medida que aumenta el número de capas. La existencia de este patrón está relacionada con el espín de los electrones. Cada orbital atómico puede albergar dos electrones con espines opuestos.
Energía y estados excitados de los electrones
Los electrones obtienen su energía de sus órbitas, por lo que en diferentes configuraciones, los electrones pueden transferir energía absorbiéndola o emitiéndola. Por ejemplo, la configuración del estado fundamental de un átomo de sodio es 1s2 2s2 2p6 3s1, y su primer estado excitado es promover un electrón 3s al orbital 3p, formando una configuración de 1s2 2s2 2p6 3p1.Antecedentes históricosEn una lámpara de vapor de sodio, los átomos de sodio se excitan al nivel 3p mediante descarga eléctrica y luego emiten luz amarilla cuando regresan al estado fundamental.
Un desarrollo de teorías sobre las configuraciones electrónicas, propuesto por primera vez por Irving Langmuir en 1919, que sentó las bases para la comprensión de la estructura atómica. Posteriormente, Niels Bohr amplió aún más el concepto de configuración electrónica en 1923. Basándose en el modelo de Bohr, propuso que la periodicidad de las propiedades atómicas podía explicarse mediante la estructura de los electrones.
Principio de Aufbau y regla de MadelungOtro principio clave es el principio de Aufbau, que establece que al llenar los electrones se debe seguir el orden de energía de menor a mayor. Esta teoría proporciona orientación sobre el orden en que deben llenarse los electrones en el estado fundamental de los 118 elementos conocidos. Según la regla de Madelung, el llenado de la subcapa depende del tamaño de n+l, donde n representa el número cuántico principal y l representa el número cuántico secundario.
Esto forma un orden de llenado: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p...etc., lo que hace que la periodicidad de los elementos esté estrechamente relacionada con la configuración electrónica.
Efectos sobre la estructura química
La configuración electrónica de los elementos afecta directamente sus propiedades químicas. Por ejemplo, las similitudes en la tabla periódica de elementos químicos a menudo están relacionadas con la configuración de sus electrones más externos, lo que también explica cómo se comportan los elementos en las reacciones químicas. Para muchos elementos, los electrones de valencia más externos determinan su reactividad química, un fenómeno que los científicos han observado durante generaciones.
ConclusiónLa naturaleza única de cómo los electrones se mueven a través de los átomos tiene implicaciones no sólo para el ajuste y los estados de energía de los electrones, sino también para nuestra comprensión de la química del mundo y cómo reacciona. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología en el futuro, podremos comprender mejor las leyes del movimiento de estas diminutas partículas. ¿Qué impacto tendrá esto en la comunidad científica?
