Capa electrónica - Electron shell

En química y física atómica , una capa de electrones se puede considerar como una órbita seguida de electrones alrededor del núcleo de un átomo . La capa más cercana al núcleo se llama " 1 capa" (también llamada "capa K"), seguida de la " 2 capa" (o "capa L"), luego la " 3 capa" (o "capa M" ), y así sucesivamente más y más lejos del núcleo. Las capas corresponden a los principales números cuánticos ( n = 1, 2, 3, 4 ...) o están etiquetadas alfabéticamente con las letras utilizadas en la notación de rayos X (K, L, M, ...).

Cada capa puede contener solo un número fijo de electrones: la primera capa puede contener hasta dos electrones, la segunda capa puede contener hasta ocho (2 + 6) electrones, la tercera capa puede contener hasta 18 (2 + 6 + 10) ) etcétera. La fórmula general es que la capa n- ésima puede, en principio, contener hasta 2 ( n 2 ) electrones. Para obtener una explicación de por qué existen electrones en estas capas, consulte la configuración de electrones .

Cada capa consta de una o más subcapas , y cada subcapa consta de uno o más orbitales atómicos .

Historia

La terminología de la cáscara proviene de la modificación de Arnold Sommerfeld del modelo de Bohr . Sommerfeld retenido modelo planetario de Bohr, pero añadió suavemente órbitas elípticas (caracterizado por adicional números cuánticos y m ) para explicar la multa estructura espectroscópica de algunos elementos. Los múltiples electrones con el mismo número cuántico principal ( n ) tenían órbitas cercanas que formaban una "capa" de espesor positivo en lugar de la órbita circular infinitamente delgada del modelo de Bohr.

La existencia de capas de electrones se observó primero experimentalmente en Charles Barkla 's y Henry Moseley ' s de rayos X estudios de absorción. Barkla los etiquetó con las letras K, L, M, N, O, P y Q. El origen de esta terminología fue alfabético. También se sospechó una serie "J", aunque experimentos posteriores indicaron que las líneas de absorción K son producidas por los electrones más internos. Más tarde se descubrió que estas letras correspondían a los valores n 1, 2, 3, etc. Se utilizan en la notación espectroscópica de Siegbahn .

Subcapas

Vistas en 3D de algunos orbitales atómicos similares al hidrógeno que muestran la densidad de probabilidad y la fase ( no se muestran los orbitales g y superiores).

Cada capa está compuesta por una o más subcapas, que a su vez están compuestas por orbitales atómicos . Por ejemplo, la primera capa (K) tiene una subcapa, llamada 1s ; la segunda (L) capa tiene dos subcapas, llamadas 2s y 2p ; la tercera capa tiene 3s , 3p y 3d ; la cuarta capa tiene 4s , 4p , 4d y 4f ; la quinta capa tiene 5s , 5p , 5d y 5f y teóricamente puede contener más en la subcapa de 5g que no está ocupada en la configuración electrónica del estado fundamental de ningún elemento conocido. Las distintas subcapas posibles se muestran en la siguiente tabla:

Etiqueta de subcapa Electrones máximos Conchas que lo contienen Nombre historico
s 0 2 Cada caparazón  s arpa
pag 1 6 2da capa y superior  p rincipal
D 2 10 3er caparazón y superior  d iffuse
F 3 14 4 ° caparazón y superior  f undamental
gramo 4 18 5th shell y superior (teóricamente) (siguiente en alfabeto después de f )
  • La primera columna es la "etiqueta de subcapa", una etiqueta en minúsculas para el tipo de subcapa. Por ejemplo, los " 4s subcapa" es una subcapa de la cuarta shell (N), con el tipo ( s ) descrito en la primera fila.
  • La segunda columna es el número cuántico azimutal (ℓ) de la subcapa. La definición precisa involucra la mecánica cuántica , pero es un número que caracteriza a la subcapa.
  • La tercera columna es el número máximo de electrones que se pueden colocar en una subcapa de ese tipo. Por ejemplo, la fila superior dice que cada subcapa de tipo s ( 1s , 2s , etc.) puede tener como máximo dos electrones. En cada caso, la cifra es 4 más grande que la de arriba.
  • La cuarta columna dice qué caparazones tienen una subcapa de ese tipo. Por ejemplo, mirando las dos filas superiores, cada caparazón tiene una subcapa s , mientras que solo la segunda capa y las superiores tienen una subcapa p (es decir, no hay una subcapa "1p").
  • La última columna da el origen histórico de las etiquetas s , p , d y f . Provienen de los primeros estudios de líneas espectrales atómicas . Las otras etiquetas, a saber, g , h e i , son una continuación alfabética que sigue a la última etiqueta originada históricamente de f .

Número de electrones en cada capa

Cada subcapa está obligada a contener 4 + 2 electrones como máximo, a saber:

  • Cada s subnivel tiene como máximo 2 electrones
  • Cada subcapa p contiene como máximo 6 electrones
  • Cada subcapa d contiene como máximo 10 electrones
  • Cada subcapa f contiene como máximo 14 electrones
  • Cada subcapa g contiene como máximo 18 electrones

Por lo tanto, la capa K, que contiene solo una subcapa s , puede contener hasta 2 electrones; la capa L, que contiene una s y una p , puede contener hasta 2 + 6 = 8 electrones, y así sucesivamente; en general, la capa n- ésima puede contener hasta 2 n 2 electrones.


Nombre de Shell

Nombre de subcapa
Subnivel
max
electrones
Electrones
máximos de Shell
K 1 s 2 2
L 2 s 2 2 + 6 = 8
2p 6
METRO 3 s 2 2 + 6 + 10
= 18
3p 6
3d 10
norte 4s 2 2 + 6 +
10 + 14
= 32
4p 6
4d 10
4f 14
O 5 s 2 2 + 6 +
10 + 14 +
18 = 50
5p 6
5d 10
5f 14
5g 18

Aunque esa fórmula da el máximo en principio, de hecho ese máximo solo se alcanza (por elementos conocidos) para las primeras cuatro capas (K, L, M, N). Ningún elemento conocido tiene más de 32 electrones en una capa. Esto se debe a que las subcapas se llenan de acuerdo con el principio de Aufbau . Los primeros elementos que tengan más de 32 electrones en una capa pertenecerían al bloque g del período 8 de la tabla periódica . Estos elementos tendrían algunos electrones en su subcapa de 5g y, por lo tanto, tendrían más de 32 electrones en la capa O (quinta capa principal).

Energías de subcapa y orden de llenado

Para átomos multielectrónicos, n es un mal indicador de la energía del electrón. Los espectros de energía de algunas conchas se entrelazan.
Los estados cruzados por la misma flecha roja tienen el mismo valor. La dirección de la flecha roja indica el orden de llenado del estado.

Aunque a veces se afirma que todos los electrones de una capa tienen la misma energía, esto es una aproximación. Sin embargo, los electrones en una subcapa tienen exactamente el mismo nivel de energía, y las subcapas posteriores tienen más energía por electrón que las anteriores. Este efecto es lo suficientemente grande como para que los rangos de energía asociados con los proyectiles puedan superponerse.

El llenado de las capas y subcapas con electrones procede de las subcapas de menor energía a las subcapas de mayor energía. Esto sigue la regla n + ℓ que también se conoce comúnmente como la regla de Madelung. Las subcapas con un valor n + ℓ más bajo se llenan antes que aquellas con valores n + ℓ más altos. En el caso de valores n + ℓ iguales , la subcapa con un valor n más bajo se llena primero.

Lista de elementos con electrones por capa

La siguiente lista muestra los elementos ordenados por número atómico creciente y muestra el número de electrones por capa. De un vistazo, los subconjuntos de la lista muestran patrones obvios. En particular, cada conjunto de cinco elementos (en  azul eléctrico ) antes de cada gas noble (grupo 18, en  amarillo ) más pesado que el helio tiene un número sucesivo de electrones en la capa más externa, a saber, de tres a siete.

La clasificación de la tabla por grupo químico muestra patrones adicionales, especialmente con respecto a las dos últimas capas más externas. (Los elementos 57 a 71 pertenecen a los lantánidos , mientras que 89 a 103 son los actínidos ).

La lista a continuación es principalmente consistente con el principio de Aufbau . Sin embargo, hay una serie de excepciones a la regla; por ejemplo, el paladio (número atómico 46) no tiene electrones en la quinta capa, a diferencia de otros átomos con un número atómico más bajo . Algunas entradas de la tabla son inciertas cuando no se dispone de datos experimentales. (Por ejemplo, los elementos más allá de 108 tienen vidas medias tan cortas que sus configuraciones electrónicas aún no se han medido).

Z Elemento No. de electrones / capa Grupo
1 Hidrógeno 1 1
2 Helio 2 18
3 Litio 2, 1 1
4 Berilio 2, 2 2
5 Boro 2, 3 13
6 Carbón 2, 4 14
7 Nitrógeno 2, 5 15
8 Oxígeno 2, 6 dieciséis
9 Flúor 2, 7 17
10 Neón 2, 8 18
11 Sodio 2, 8, 1 1
12 Magnesio 2, 8, 2 2
13 Aluminio 2, 8, 3 13
14 Silicio 2, 8, 4 14
15 Fósforo 2, 8, 5 15
dieciséis Azufre 2, 8, 6 dieciséis
17 Cloro 2, 8, 7 17
18 Argón 2, 8, 8 18
19 Potasio 2, 8, 8, 1 1
20 Calcio 2, 8, 8, 2 2
21 Escandio 2, 8, 9, 2 3
22 Titanio 2, 8, 10, 2 4
23 Vanadio 2, 8, 11, 2 5
24 Cromo 2, 8, 13, 1 6
25 Manganeso 2, 8, 13, 2 7
26 Planchar 2, 8, 14, 2 8
27 Cobalto 2, 8, 15, 2 9
28 Níquel 2, 8, 16, 2 10
29 Cobre 2, 8, 18, 1 11
30 Zinc 2, 8, 18, 2 12
31 Galio 2, 8, 18, 3 13
32 Germanio 2, 8, 18, 4 14
33 Arsénico 2, 8, 18, 5 15
34 Selenio 2, 8, 18, 6 dieciséis
35 Bromo 2, 8, 18, 7 17
36 Criptón 2, 8, 18, 8 18
37 Rubidio 2, 8, 18, 8, 1 1
38 Estroncio 2, 8, 18, 8, 2 2
39 Itrio 2, 8, 18, 9, 2 3
40 Circonio 2, 8, 18, 10, 2 4
41 Niobio 2, 8, 18, 12, 1 5
42 Molibdeno 2, 8, 18, 13, 1 6
43 Tecnecio 2, 8, 18, 13, 2 7
44 Rutenio 2, 8, 18, 15, 1 8
45 Rodio 2, 8, 18, 16, 1 9
46 Paladio 2, 8, 18, 18 10
47 Plata 2, 8, 18, 18, 1 11
48 Cadmio 2, 8, 18, 18, 2 12
49 Indio 2, 8, 18, 18, 3 13
50 Estaño 2, 8, 18, 18, 4 14
51 Antimonio 2, 8, 18, 18, 5 15
52 Telurio 2, 8, 18, 18, 6 dieciséis
53 Yodo 2, 8, 18, 18, 7 17
54 Xenón 2, 8, 18, 18, 8 18
55 Cesio 2, 8, 18, 18, 8, 1 1
56 Bario 2, 8, 18, 18, 8, 2 2
57 Lantano 2, 8, 18, 18, 9, 2
58 Cerio 2, 8, 18, 19, 9, 2
59 Praseodimio 2, 8, 18, 21, 8, 2
60 Neodimio 2, 8, 18, 22, 8, 2
61 Prometeo 2, 8, 18, 23, 8, 2
62 Samario 2, 8, 18, 24, 8, 2
63 Europio 2, 8, 18, 25, 8, 2
64 Gadolinio 2, 8, 18, 25, 9, 2
sesenta y cinco Terbio 2, 8, 18, 27, 8, 2
66 Disprosio 2, 8, 18, 28, 8, 2
67 Holmio 2, 8, 18, 29, 8, 2
68 Erbio 2, 8, 18, 30, 8, 2
69 Tulio 2, 8, 18, 31, 8, 2
70 Iterbio 2, 8, 18, 32, 8, 2
71 Lutecio 2, 8, 18, 32, 9, 2 3
72 Hafnio 2, 8, 18, 32, 10, 2 4
73 Tantalio 2, 8, 18, 32, 11, 2 5
74 Tungsteno 2, 8, 18, 32, 12, 2 6
75 Renio 2, 8, 18, 32, 13, 2 7
76 Osmio 2, 8, 18, 32, 14, 2 8
77 Iridio 2, 8, 18, 32, 15, 2 9
78 Platino 2, 8, 18, 32, 17, 1 10
79 Oro 2, 8, 18, 32, 18, 1 11
80 Mercurio 2, 8, 18, 32, 18, 2 12
81 Talio 2, 8, 18, 32, 18, 3 13
82 Dirigir 2, 8, 18, 32, 18, 4 14
83 Bismuto 2, 8, 18, 32, 18, 5 15
84 Polonio 2, 8, 18, 32, 18, 6 dieciséis
85 Astatine 2, 8, 18, 32, 18, 7 17
86 Radón 2, 8, 18, 32, 18, 8 18
87 Francio 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1 1
88 Radio 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2 2
89 Actinio 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
90 Torio 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
91 Protactinio 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
92 Uranio 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
93 Neptunio 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94 Plutonio 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95 Americio 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96 Curio 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97 Berkelio 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98 Californio 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99 Einstenio 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100 Fermio 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101 Mendelevio 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102 Nobelio 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103 Lawrencio 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 3
104 Rutherfordio 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2 4
105 Dubnium 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 5
106 Seaborgio 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2 6
107 Bohrium 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2 7
108 Hassium 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2 8
109 Meitnerio 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 (?) 9
110 Darmstadtium 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 (?) 10
111 Roentgenio 2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (?) 11
112 Copérnico 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 (?) 12
113 Nihonium 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 (?) 13
114 Flerovio 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (?) 14
115 Moscovium 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 (?) 15
116 Livermorium 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (?) dieciséis
117 Tennessine 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (?) 17
118 Oganesson 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (?) 18

Ver también

Referencias