¿Por qué algunos elementos como el potasio tienen un máximo de 8 electrones en la tercera capa pero otros como el germanio tienen 18?

A medida que el núcleo gana protones y atrae cantidades iguales de electrones, los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en niveles de energía principales, cada uno de los cuales contiene subniveles, orbitales. Los electrones, cargas negativas, son atraídos al núcleo pero se repelen entre sí. El nivel más bajo del orbital 1 está cerca del núcleo y puede contener solo dos electrones. Piense en él como 1 electrón en cada lado del núcleo, cada uno pensando que tiene el núcleo para sí mismo. A medida que hay más protones en el núcleo, los electrones agregados tienen que ir a algún lado para que lleguen a niveles de energía más altos y dado que hay más volumen más lejos del núcleo, hay más orbitales para llenar ese volumen. La estructura de estos orbitales sigue reglas de mecánica cuántica; Basta decir que las reglas permiten que los electrones permanezcan lo más separados posible mientras tienen la máxima atracción hacia el núcleo. El segundo nivel principal puede contener 8 electrones en orbitales 2s y 3 2p. El tercer nivel principal puede contener 18 electrones a 3s, 3 3p y 5 orbitales 3d. Si estudias la tabla periódica, aprenderás cómo se llenan estos orbitales y los puntos más finos de cómo los electrones son atraídos por el núcleo y, sin embargo, se evitan entre sí.
Por cierto, K no tiene un máximo de 8 electrones en el nivel n = 3; Tiene 8 electrones en el nivel n = 3. Estudie la tabla periódica para ver cómo se agregan los electrones. Por un capricho en las densidades de probabilidad de electrones, los electrones de 4s se llenan antes de 3d y, a medida que aumenta la carga nuclear, los electrones de 3d se vuelven lentamente de menor energía que los 4s. Estos son los puntos más finos. ESTUDIA la tabla periódica.

Imagine un anfiteatro de diseño extraño, con 2 asientos en la fila más cercana al escenario, la siguiente fila tiene 2 asientos centrales, flanqueados por dos secciones de tres asientos a la izquierda y a la derecha. La tercera fila tiene dos asientos en el centro, las secciones de tres asientos y otra sección de 5 asientos. La cuarta fila tiene dos asientos, más secciones de 3, 5 y 7 a cada lado, y así sucesivamente.

Cuando las personas llenan este anfiteatro, obviamente quieren asientos que estén más cerca del escenario (por lo tanto, números de fila más bajos) y también más cerca del centro (para que puedan ver más claramente el estado). Entonces, cuando las dos primeras personas se sientan, se sientan en la fila 1, asientos S1S2. Cuando las siguientes dos personas se sientan, se sientan en la fila 2, asientos S2S1.

Cuando entran las siguientes 6 personas, comienzan a llenar las siguientes secciones de asientos en la fila 2, y todavía están bastante cerca del centro, pero no demasiado atrás, así que llenan la fila 2, asientos P1P2P3P4P5P6.

Si te das cuenta de que esto es una analogía para los electrones en un átomo, entonces debes darte cuenta de que la situación con las personas en las filas 1 y 2 descritas anteriormente describe Helio (dos personas en el anfiteatro), Berilio (4 personas en el anfiteatro) y Neón (10 personas en el anfiteatro). También describe Lithium +, que solo tiene 2 electrones, Fluor-, que tiene un electrón extra, para un total de 10.

Entonces pasemos al sodio, que tiene 11 electrones. Obviamente, en la analogía del anfiteatro, el próximo miembro de la audiencia no puede obtener un asiento en las dos primeras filas (están llenas), por lo que se sienta en uno de los asientos centrales en la Fila 3, S1. No hay problema real allí.

Donde las cosas se ponen interesantes es con el potasio. Aquí hay 19 personas que quieren sentarse. Los primeros 2 se sientan en la fila 1, los siguientes 8 se sientan en la fila 2, los siguientes 8 se sientan en la fila 3, y eso deja al último tipo. ¿Dónde quiere sentarse?

Puede sentarse en las secciones externas de la fila 3, asiento D1, pero eso está bastante lejos del centro del escenario. Podía sentarse en el centro de la fila 4, asiento S1. Eso funciona para él, tiene una mejor vista.

El siguiente tipo (Calcium) se sienta a su lado en el asiento 4S2. Pero aquí se pone complicado. Aunque la tercera fila tiene asientos disponibles, ¿son mejores o peores que los asientos de la cuarta fila disponibles? El siguiente tipo, Scanadium, cree que sí, así que toma uno. Los siguientes 10 muchachos llenan la tercera fila antes de que la gente comience a llenar el resto de la cuarta fila. Su germanio tiene muchachos en la sección 1S, muchachos en las secciones 2S2P, muchachos en las secciones 3S3P3D, muchachos en las secciones 4S y 4P (la última de las cuales aún no está llena.

Lo mismo sucede con más y más miembros de la audiencia. Resulta que las secciones de 7 asientos en las alas son tan impopulares que las personas están más dispuestas a sentarse en la sección 6S que en la sección 4F, por lo que lleva hasta Cerium (58 miembros de la audiencia) antes de que alguien se siente en 4F (por Por alguna razón que es difícil de explicar, Cerium tiene un tipo que prefiere la sección 5D sobre 4F).

Ahora, para desarrollar la analogía: las filas corresponden a capas de electrones, y las secciones, SPDF, corresponden a subcapas (generalmente llamadas s, p, d y f ). La conveniencia de los asientos está, en un átomo, determinada por la energía que se necesita para eliminar un electrón de un asiento. Si un electrón puede moverse a un estado de menor energía moviéndose a una capa interna o moviéndose a una subcapa s- o p- , lo hará, y se liberará un poco de luz. Ahora se necesita más energía para eliminarlo.

En pocas palabras, los niveles de energía tercero y cuarto tienen subcapas adicionales. Hay orbitales s, p, d y f, y las primeras 3 filas de la tabla periódica solo involucran orbitales s y p, mientras que la cuarta fila agrega los orbitales 3d y la sexta fila agrega los orbitales 5f.

Los orbitales S pueden contener 2 electrones de espín opuesto, mientras que los orbitales p, de los cuales hay 3 en cada nivel, pueden contener 2 cada uno para un total de 6. Esto significa que los segundos niveles de energía pueden tener 8 electrones, en la configuración 2s2 2p6 . Los orbitales D pueden contener 10 electrones, por lo que el tercer nivel de energía tiene la configuración 3s2 3p6 3d10.

Es un poco más complicado que esto, pero puede comprender la forma de la tabla periódica al observar las configuraciones de electrones de esta manera.

Una capa de electrones dada puede contener 2n ^ 2 electrones, donde n es el número de la capa. La primera capa puede contener un máximo de 2 (1 ^ 2) = 2, la segunda capa 2 (2 ^ 2) = 8, la tercera capa 2 (3 ^ 2) = 18, la cuarta capa 2 (4 ^ 2) = 32, etc.

Pero no siempre están llenos.

Los electrones de valencia son electrones en la capa más externa, y generalmente son los que determinan sus propiedades cuando se trata de reaccionar con otros elementos.

Si solo seguimos el modelo 2n ^ 2, el potasio debería tener nueve electrones de valencia; los dos primeros depósitos se llenan por completo y el tercero se llena hasta la mitad. Pero eso no es posible. Como máximo, puede tener ocho electrones de valencia. Pero no puede simplemente dejar electrones y permanecer eléctricamente neutro; de lo contrario, te queda un ion. Tiene que ir a alguna parte.

Por lo tanto, encontramos que un electrón ha llegado a la cuarta capa. No solo evitamos tener más de ocho electrones de valencia, ahora también satisfacemos una propiedad clave de los elementos en la primera columna de la tabla periódica: que tienen un solo electrón de valencia.

Mientras tanto, el germanio tiene 32 electrones. En el modelo 2n ^ 2, llenamos completamente tres capas y nos sobran cuatro. Está perfectamente bien que un átomo tenga cuatro electrones de valencia (en este caso, la cuarta capa), por lo que se mantiene así.