En algún momento de tu educación en química, es posible que te hayan presentado la canción “The Elements”, en la que Tom Lehrer hace una interpretación musical rápida de todos los nombres de los elementos. Al igual que yo, es posible que incluso te hayan ofrecido la oportunidad de memorizar esta canción para obtener un crédito extra. Si es así, es posible que aún recuerde los nombres de todos los elementos, lo cual es una hazaña impresionante, sin mencionar un truco divertido para llevar a cabo en los cócteles.
Si ha memorizado los nombres de los elementos, ¿eso significa que nunca más necesitará una tabla periódica? Bueno … probablemente no. Esto se debe a que la tabla periódica no es solo un gran cubo que contiene todos los elementos. En cambio, es más como un sistema de archivo. La posición de cada elemento en la tabla proporciona información importante sobre su estructura, propiedades y comportamiento en reacciones químicas. Específicamente, la posición de un elemento en la tabla periódica le ayuda a descubrir su configuración electrónica, cómo se organizan los electrones alrededor del núcleo. Los átomos usan sus electrones para participar en reacciones químicas, por lo que conocer la configuración electrónica de un elemento le permite predecir su reactividad, si interactuará con átomos de otros elementos y de qué manera.
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 periodica
Por convención, los elementos se organizan en la tabla periódica , una estructura que captura patrones importantes en su comportamiento. Diseñada por el químico ruso Dmitri Mendeleev (1834–1907) en 1869, la tabla coloca elementos en columnas ( grupos, y filas), períodos 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 capacidad de formar enlaces químicos con otros átomos.
Además de enumerar el número atómico de cada elemento, la tabla periódica también muestra la masa atómica relativa del elemento, el promedio ponderado de sus isótopos naturales en la Tierra. Mirando el hidrógeno, por ejemplo, su símbolo, [math] \ text {H,} [/ math] H, H, coma y nombre aparecen, así como su número atómico de uno, en la esquina superior izquierda, y su masa atómica relativa de 1.01.
La tabla periódica de los elementos.
Crédito de imagen: modificado de OpenStax Biology
Las diferencias en la reactividad química entre los elementos se basan en el número y la distribución espacial de sus electrones. Si dos átomos tienen patrones electrónicos complementarios, pueden reaccionar y formar un enlace químico, creando una molécula o compuesto. Como veremos a continuación, la tabla periódica organiza los elementos de una manera que refleja su número y patrón de electrones, lo que lo hace útil para predecir la reactividad de un elemento: qué tan probable es formar enlaces y con qué otros elementos.
Conchas de electrones y el modelo Bohr
Un primer modelo del átomo fue desarrollado en 1913 por el científico danés Niels Bohr (1885-1962). El modelo de Bohr muestra el átomo como un núcleo central que contiene protones y neutrones, con los electrones en capas circulares de electrones a distancias específicas del núcleo, similar a los planetas que orbitan alrededor del sol. Cada capa de electrones tiene un nivel de energía diferente, con las capas más cercanas al núcleo que son más bajas en energía que las más alejadas del núcleo. Por convención, a cada capa se le asigna un número y el símbolo n, por ejemplo, la capa de electrones más cercana al núcleo se llama 1n. Para moverse entre las capas, un electrón debe absorber o liberar una cantidad de energía correspondiente exactamente a la diferencia de energía entre las capas. Por ejemplo, si un electrón absorbe energía de un fotón, puede excitarse y moverse a una capa de energía superior; Por el contrario, cuando un electrón excitado vuelve a caer en una capa de energía más baja, liberará energía, a menudo en forma de calor.
Modelo de Bohr de un átomo, que muestra los niveles de energía como círculos concéntricos que rodean el núcleo. Se debe agregar energía para mover un electrón hacia afuera a un nivel de energía más alto, y la energía se libera cuando un electrón cae de un nivel de energía más alto a uno más cercano.
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Los átomos, como otras cosas gobernadas por las leyes de la física, tienden a adoptar la configuración más estable y de menor energía posible. Por lo tanto, las capas de electrones de un átomo se pueblan de adentro hacia afuera, y los electrones llenan las capas de baja energía más cerca del núcleo antes de que se muevan hacia las capas de energía más alta. La capa más cercana al núcleo, 1n, puede contener dos electrones, mientras que la siguiente capa, 2n, puede contener ocho, y la tercera capa, 3n, puede contener hasta dieciocho.
El número de electrones en la capa más externa de un átomo particular determina su reactividad o tendencia a formar enlaces químicos con otros átomos. Esta capa más externa se conoce como capa de valencia , y los electrones que se encuentran en ella se llaman electrones de valencia . En general, los átomos son más estables, menos reactivos, cuando su capa de electrones más externa está llena. La mayoría de los elementos importantes en biología necesitan ocho electrones en su capa más externa para ser estables, y esta regla general se conoce como la regla del octeto . Algunos átomos pueden ser estables con un octeto a pesar de que su capa de valencia es la capa 3n, que puede contener hasta 18 electrones. Exploraremos la razón de esto cuando discutamos los orbitales de electrones a continuación.
A continuación se muestran ejemplos de algunos átomos neutros y sus configuraciones electrónicas. En esta tabla, puede ver que el helio tiene una capa de valencia completa, con dos electrones en su primera y única capa, 1n. Del mismo modo, el neón tiene una capa exterior completa de 2n que contiene ocho electrones. Estas configuraciones electrónicas hacen que el helio y el neón sean muy estables. Aunque el argón técnicamente no tiene una capa externa completa, dado que la capa 3n puede contener hasta dieciocho electrones, es estable como el neón y el helio porque tiene ocho electrones en la capa 3n y, por lo tanto, cumple la regla del octeto. En contraste, el cloro tiene solo siete electrones en su capa más externa, mientras que el sodio tiene solo uno. Estos patrones no llenan la capa más externa ni satisfacen la regla del octeto, haciendo que el cloro y el sodio sean reactivos, ansiosos por ganar o perder electrones para alcanzar una configuración más estable.
Diagramas de Bohr de varios elementos
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Configuraciones electrónicas y la tabla periódica.
Los elementos se ordenan en la tabla periódica en función de su número atómico, cuántos protones tienen. En un átomo neutro, el número de electrones será igual al número de protones, por lo que podemos determinar fácilmente el número de electrones a partir del número atómico. Además, la posición de un elemento en la tabla periódica —su columna, o grupo, y fila o período— proporciona información útil sobre cómo están dispuestos esos electrones.
Si consideramos solo las primeras tres filas de la tabla, que incluyen los elementos principales importantes para la vida, cada fila corresponde al llenado de una capa electrónica diferente: el helio y el hidrógeno colocan sus electrones en la capa 1n, mientras que los elementos de la segunda fila como Li comienza a llenar el caparazón 2n, y los elementos de la tercera fila como Na continúan con el caparazón 3n. Del mismo modo, el número de columna de un elemento proporciona información sobre su número de electrones de valencia y 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 elementos del grupo 18 tienen ocho, excepto el helio, que tiene solo dos electrones en total. Por lo tanto, el número de grupo es un buen predictor de cuán reactivo será cada elemento:
- Helio ([matemática] \ text {He} [/ matemática] HeH, e), neón ([matemática] \ text {Ne} [/ matemática] NeN, e) y argón ([matemática] \ text {Ar} [ / math] ArA, r), como elementos del grupo 18, tienen capas externas de electrones que están llenas o satisfacen la regla del octeto. Esto los hace altamente estables como átomos individuales. Debido a su no reactividad, se denominan gases inertes o gases nobles .
- Hidrógeno ([matemática] \ text {H} [/ matemática] HH), litio ([matemática] \ text {Li} [/ matemática] LiL, i) y sodio ([matemática] \ text {Na} [/ matemática ] NaN, a), como elementos del grupo 1, tienen solo un electrón en sus capas más externas. Son inestables como átomos individuales, pero pueden volverse estables al perder o compartir su único electrón de valencia. Si estos elementos pierden completamente un electrón, como [math] \ text {Li} [/ math] LiL, i y [math] \ text {Na} [/ math] NaN, un problema típico, se convierten en iones con carga positiva: [ math] \ text {Li} ^ + [/ math] Li + L, i, start superscript, plus, end superscript y [math] \ text {Na} ^ + [/ math] Na + N, a, start superscript, Además, termina el superíndice.
- El flúor ([math] \ text {F} [/ math] FF) y el cloro ([math] \ text {Cl} [/ math] ClC, l), como elementos del grupo 17, tienen siete electrones en sus capas más externas. Tienden a lograr un octeto estable al tomar un electrón de otros átomos, convirtiéndose en iones con carga negativa: [matemática] \ text {F} ^ – [/ matemática] F − F, iniciar superíndice, menos, superíndice final y [matemática] \ text {Cl} ^ – [/ math] Cl − C, l, start superscript, minus, end superscript.
- El carbono ([math] \ text {C} [/ math] CC), como elemento del grupo 14, tiene cuatro electrones en su capa externa. El carbono generalmente comparte electrones para lograr una capa de valencia completa, formando enlaces con muchos otros átomos.
Por lo tanto, las columnas de la tabla periódica reflejan el número de electrones encontrados en la capa de valencia de cada elemento, que a su vez determina cómo reaccionará el elemento.
Subcapas y orbitales
El modelo de Bohr es útil para explicar la reactividad y la unión química de muchos elementos, pero en realidad no ofrece una descripción muy precisa de cómo se distribuyen los electrones en el espacio alrededor del núcleo. Específicamente, los electrones realmente no rodean el núcleo, sino que pasan la mayor parte de su tiempo en regiones del espacio a veces complejas, alrededor del núcleo, conocidas como orbitales de electrones . En realidad, no podemos saber dónde está un electrón en un momento dado, pero podemos determinar matemáticamente el volumen de espacio en el que es más probable encontrarlo, por ejemplo, el volumen de espacio en el que pasará el 90% de es la hora. Esta región de alta probabilidad constituye un orbital, y cada orbital puede contener hasta dos electrones.
Entonces, ¿cómo encajan estos orbitales matemáticamente definidos con las capas de electrones que vimos en el modelo de Bohr? Podemos dividir cada capa de electrones en una o más subcapas, que son simplemente conjuntos de uno o más orbitales. Las subcapas se designan con las letras [math] s [/ math] ss, [math] p [/ math] pp, [math] d [/ math] dd y [math] f [/ math] ff, y cada letra Indica una forma diferente. Por ejemplo, las subcapas [math] s [/ math] ss tienen un orbital esférico único, mientras que las subcapas [math] p [/ math] pp contienen tres orbitales con forma de mancuerna en ángulo recto entre sí. La mayor parte de la química orgánica —la química de los compuestos que contienen carbono, que son centrales para la biología— implica interacciones entre electrones en subcapas [math] s [/ math] ss y [math] p [/ math] pp, así que estas son las más Tipos de subshell importantes con los que estar familiarizado. Sin embargo, los átomos con muchos electrones pueden colocar algunos de sus electrones en [math] d [/ math] dd y [math] f [/ math] ffshells. Las subcapas [math] d [/ math] dd y [math] f [/ math] ff tienen formas más complejas y contienen cinco y siete orbitales, respectivamente.
Diagrama 3D de orbitales circulares 1s y 2s y orbitales 2p en forma de pesa. Hay tres orbitales 2p, y están en ángulo recto entre sí.
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La primera capa de electrones, 1n, corresponde a un solo [matemático] 1s [/ matemático] 1s1, s orbital. El [math] 1s [/ math] 1s1, s orbital es el orbital más cercano al núcleo, y primero se llena de electrones, antes que cualquier otro orbital. El hidrógeno tiene solo un electrón, por lo que tiene un solo punto en [math] 1s [/ math] 1s1, sorbital ocupado. Esto se puede escribir en forma abreviada llamada configuración electrónica como [math] 1s ^ 1 [/ math] 1s11, s, start superscript, 1, end superscript, donde el superíndice 1 se refiere al electrón en [math] 1s [/ math] 1s1, s orbital. El helio tiene dos electrones, por lo que puede llenar completamente el orbital [matemático] 1s [/ matemático] 1s1 con sus dos electrones. Esto se escribe como [matemática] 1s ^ 2 [/ matemática] 1s21, s, inicio superíndice, 2, superíndice final, que se refiere a los dos electrones de helio en el orbital [matemática] 1s [/ matemática] 1s1, s. En la tabla periódica, el hidrógeno y el helio son los únicos dos elementos en la primera fila, o período, 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 el [math] 1s [/ math] 1s1, s orbital en su estado neutro, sin carga.
La segunda capa de electrones, 2n, contiene otro orbital esférico [matemático] s [/ matemático] ss más tres orbitales en forma de mancuerna [matemático] p [/ matemático] pp, cada uno de los cuales puede contener dos electrones. Después del [matemático] 1s [/ matemático] 1s1, se llena el sorbital, la segunda capa de electrones comienza a llenarse, con los electrones yendo primero al [matemático] 2s [/ matemático] 2s2, s orbital y luego a los tres [matemático] p [/ math] pp orbitales. Los elementos en la segunda fila de la tabla periódica colocan sus electrones en la capa 2n y en la capa 1n. Por ejemplo, el litio ([math] \ text {Li} [/ math] LiL, i) tiene tres electrones: dos llenan el [math] 1s [/ math] 1s1, s orbital, y el tercero se coloca en el [math ] 2s [/ math] 2s2, s orbital, dando una configuración electrónica de [math] 1s ^ 2 [/ math] 1s21, s, start superscript, 2, end superscript [math] 2s ^ 1 [/ math] 2s12, s , iniciar superíndice, 1, finalizar superíndice. Neon ([math] \ text {Ne} [/ math] NeN, e), por otro lado, tiene un total de diez electrones: dos están en su interior [math] 1s [/ math] 1s1, sorbital y ocho de relleno el segundo caparazón: dos cada uno en [math] 2s [/ math] 2s2, sy tres [math] p [/ math] pp orbitales, [math] 1s ^ 2 [/ math] 1s21, s, start superscript, 2 , superíndice final [matemática] 2s ^ 2 [/ matemática] 2s22, s, superíndice inicial, 2, superíndice final [matemática] 2p ^ 6 [/ matemática] 2p62, p, superíndice inicial, 6, superíndice final. Debido a que su capa 2n está llena, es energéticamente estable como un solo átomo y rara vez formará enlaces químicos con otros átomos.
La tercera capa de electrones, 3n, también contiene un orbital [math] s [/ math] ss y tres orbitales [math] p [/ math] pp, y los elementos de la tercera fila de la tabla periódica colocan sus electrones en estos orbitales, tanto como lo hacen los elementos de la segunda fila para el shell 2n. El caparazón 3n también contiene un orbital [matemático] d [/ matemático] dd, pero este orbital es considerablemente más alto en energía que el [matemático] 3s [/ matemático] 3s3, arena [matemático] 3p [/ matemático] 3p3, p orbital y no comienza a llenarse hasta la cuarta fila de la tabla periódica. Esta es la razón por la cual los elementos de la tercera fila, como el argón, pueden ser estables con solo ocho electrones de valencia: sus subcapas [math] s [/ math] ss y [math] p [/ math] pp están llenas, aunque los 3n completos Shell no lo es.
Si bien las capas electrónicas y los orbitales están estrechamente relacionados, los orbitales proporcionan una imagen más precisa de la configuración electrónica de un átomo. Esto se debe a que los orbitales realmente especifican la forma y la posición de las regiones del espacio que ocupan los electrones.
información del sitio web oficial de khan academy
