¿Por qué la capa de valencia solo puede contener 8 electrones y no más?

¡Depende de qué shell estás hablando!

El estado de un electrón en un átomo (que se puede considerar como una “ranura” disponible en un orbital que el electrón está llenando) se describe mediante cuatro “números cuánticos”:

  1. [matemáticas] n [/ matemáticas], el número cuántico principal, que es el más importante para determinar el nivel de energía y la distancia desde el núcleo.
  2. [math] \ ell [/ math], el número cuántico de momento angular, que indica cuánto momento angular orbital tiene el electrón.
  3. [math] m [/ math], el número cuántico magnético, que indica la componente del momento angular orbital del electrón en la dirección [math] \ hat z [/ math].
  4. [math] m_s [/ math], el número cuántico de espín, que indica el estado de espín cuántico del electrón.

Hay algo llamado el principio de exclusión de Pauli, que dice que no hay dos fermiones idénticos (por ejemplo, electrones) pueden compartir el mismo estado cuántico. Entonces, en este caso, significa que no hay dos electrones en el mismo átomo que puedan tener los cuatro números cuánticos iguales. Es por eso que las capas de electrones pueden “llenarse”.

Entonces, la pregunta es, ¿cuántas opciones hay para estos números cuánticos? Bueno, vamos a revisarlos.

  1. [matemática] n [/ matemática] puede ser cualquier número de conteo: 1, 2, 3, etc. El estado fundamental (la energía más baja, que es preferida por el electrón) es [matemática] n = 1 [/ matemática], con mayor [matemática] n [/ matemática] correspondiente a una energía más alta (generalmente; hay excepciones, cuando tienes múltiples electrones).
  2. [math] \ ell [/ math] puede ser cualquier número entero de 0 a [math] n-1 [/ math], inclusive. Entonces, para [matemática] n = 1 [/ matemática], solo podemos tener [matemática] \ ell = 0 [/ matemática], pero para [matemática] n = 3 [/ matemática], podemos tener [matemática] \ ell = [/ math] 0, 1 o 2.
  3. [math] m [/ math] puede ser cualquier número entero desde [math] – \ ell [/ math] a [math] \ ell [/ math]. Entonces, para [math] \ ell = 2 [/ math], [math] m [/ math] podría ser -2, -1, 0, 1 o 2.
  4. [math] m_s [/ math] puede ser [math] 1/2 [/ math] o [math] -1/2 [/ math].

Así que ahora, cuentemos los estados.

  • [matemáticas] n = 1 [/ matemáticas]:
    Esto fuerza [math] \ ell = 0 [/ math], y entonces [math] m = 0 [/ math]. Sin embargo, todavía hay 2 posibles estados de giro, por lo que tenemos un total de 2 estados . Cuando ambos están llenos, y nada más, tenemos nuestro primer gas noble, Helium.
  • [matemáticas] n = 2 [/ matemáticas]:
    Tenemos 2 estados [math] \ ell = 0 [/ math], como antes, pero también tenemos los estados [math] \ ell = 1 [/ math]. Hay 3 opciones para [math] m [/ math] (-1, 0, 1), y cada una tiene 2 opciones para girar, por lo que hay 6 estados [math] \ ell = 1 [/ math], para un total de 8 estados . Si todos los estados [matemática] n = 1 [/ matemática] y [matemática] n = 2 [/ matemática] están llenos (10 en total), tenemos nuestro segundo gas noble, Neon.
  • [matemáticas] n = 3 [/ matemáticas]:
    Tenemos 2 estados [matemáticos] \ ell = 0 [/ matemáticos] y 6 estados [matemáticos] \ ell = 1 [/ matemáticos], más 10 estados [matemáticos] \ ell = 2 [/ matemáticos] (si observa el patrón , cada valor de [math] \ ell [/ math] tiene [math] 2 (2 \ ell + 1) [/ math] estados). Esto da un total de 18 estados . Sin embargo, mencioné antes que las energías se vuelven un poco extrañas cuando tienes muchos electrones interactuando entre sí. En este caso, el [math] n = 3, \, \ ell = 2 [/ math] shell tiene más energía que (y por lo tanto se llena más tarde que) el [math] n = 4, \, \ ell = 0 [ / matemáticas] shell. Por lo tanto, se “saltan” de forma temporal, por lo que efectivamente tenemos 8 nuevamente, terminando con Argón.

    Las ranuras [math] \ ell = 2 [/ math] finalmente se llenan, y corresponden a los elementos Scandium a través de Zinc.

Entonces, como puede ver, no siempre es 8, pero es 8 para muchos de los elementos importantes con los que tratamos día a día.

Los orbitales externos involucran electrones s y p y, por lo tanto, 8 electrones es una peculiaridad de los niveles de energía donde los electrones d, f y g entran en escena con un número cuántico principal más bajo. Por lo tanto, el 3D comienza después de que se llenan los depósitos de 4s. La mayoría de los llamados enlaces σ, que implican una superposición orbital de extremo a extremo, requieren hibridación de tipo sp, por lo que en estos casos limitados parece que solo hay 8 electrones.

Sin embargo, eso es ilusorio y una consecuencia de centrarse solo en un subconjunto de moléculas posibles. Si supone que los enlaces implican la formación de pares de electrones, ¿cuántos electrones hay en la capa de valencia de azufre en sulfato? ¿De cloro en perclorato? ¿En xenón en alguno de los fluoruros de xenón?

La respuesta corta es que su pregunta está mal basada porque a menos que defina la capa de valencia de alguna manera que sea solo una capa de valencia con no más de 8 electrones, entonces la capa de valencia PUEDE contener más de 8 electrones utilizando orbitales dof .

Creo que su pregunta debe responderse mecánicamente. Parece que está tratando de visualizar un átomo y está tratando de entender si una capa puede contener 8 electrones, ¿por qué no 9?

¿Qué sucede cuando tratas de poner demasiados paños en una bolsa llena? Todos los electrones tienen carga negativa y las mismas cargas repelen.

Digamos que la segunda capa puede contener 8 electrones como máximo. Si intentas poner 9 electrones allí, la repulsión electrostática entre los electrones mismos se vuelve más que la atracción electrostática entre los electrones y el núcleo, expulsará el electrón extra hacia las capas externas. Por lo tanto, no puede contener más de 8 electrones. Para obtener una respuesta sobre cuántos electrones puede contener un caparazón, debe pasar por matemáticas muy rigurosas y averiguar el número máximo de electrones en un caparazón. Pero la fórmula de mano corta es 2N ^ 2.

Ya se han dado muchas respuestas extremadamente buenas. Solo agregaré el siguiente argumento, en caso de que sea útil para usted como un trampolín para leer algunas de las respuestas más complejas:

Lo que usted llama shells puede subdividirse en sub-shells.

  • El primero, la sub-capa 1, solo puede contener 2 electrones.
  • El siguiente, el 2s-shell, también solo puede contener 2.
  • El siguiente, la subcapa de 2p, puede contener 6 electrones.
  • Entonces 3s puede contener 2, nuevamente; entonces 3p puede contener 6, nuevamente. (Aquí es de donde viene tu figura de 8).
  • Entonces 4s puede contener 2, 4d puede contener 10 y 4p puede contener 6.
  • Entonces 5s puede contener 2, 5d puede contener 10 y 5p puede contener 6.
  • Entonces 6s puede contener 2, 6f puede contener 14, 6d puede contener 10 y 6p puede contener 6.
  • Entonces 7s puede contener 2, 7f puede contener 14, 7d puede contener 10 y 7p puede contener 6.

En ese punto, estamos hasta el elemento 118 en la tabla periódica.
La tabla periódica, de hecho, muestra la estructura anterior.

Ahora, su pregunta es, “¿por qué es todo este el caso?”
Para eso, ahora lo remito a algunas de las respuestas más complejas que ya se han dado.

Mira la respuesta principal sobre esto.
¿Por qué 8 electrones forman una capa estable? ¿Por qué no 7? 6? 4? 2?

Me encanta la regla del octeto. ‘Los átomos terminan con 8 electrones en sus capas externas, excepto el hidrógeno’. Parece que el hidrógeno es un poco raro. Pero es el átomo más pequeño, por lo que permite algunas peculiaridades.

De hecho, hay 2 excepciones a la regla del octeto.
1. Los casos en que hay menos de 8 electrones en la capa externa.
2. Los casos en los que hay más de 8 electrones en la capa externa.

Algunos átomos siguen la regla del octeto. Incluyen, C, N, O y, junto con nuestra excepción, H, puedes hacer mucha Química.

La regla del octeto funciona en cursos de química primaria porque los maestros usan ejemplos en los que la regla sí funciona.

En mi opinión, todos los elementos del universo quieren alcanzar el equilibrio estable y la máxima estabilidad solo puede lograrse de esta manera. Por lo tanto, el caparazón de valencia siempre intenta mantener un máximo de 8 electrones solamente.

Según las restricciones de equilibrio, es así …

Lo que estudiamos de acuerdo con eso, hasta la décima clase, la capa de valencia de un átomo puede contener solo 8 electrones, pero en realidad, el número de electrones en cualquier capa está determinado por la fórmula mencionada solo … En clases superiores, esta duda desaparecerá como la química tiene muchos otros para ofrecer … 🙂

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