En esta lección, exploraremos el papel y las características de los electrones en el contexto de un átomo. Los electrones son partículas fundamentales que desempeñan un papel crucial en la determinación de las propiedades químicas de los elementos. Al profundizar en su comportamiento, distribución e interacción con otros componentes atómicos, obtenemos información sobre los fundamentos de la química y la física.
Los electrones son partículas subatómicas con carga negativa, denotadas por \(e^-\) . Son uno de los tres componentes principales de un átomo, junto con los protones y los neutrones. A diferencia de los protones y neutrones que residen en el núcleo del átomo, los electrones orbitan alrededor del núcleo en regiones llamadas capas de electrones o niveles de energía. La masa de un electrón es significativamente menor que la de los protones y neutrones, aproximadamente \(\frac{1}{1836}\) ésima parte de la masa de un protón. Esta pequeña masa permite a los electrones ocupar el vasto volumen del espacio de un átomo a pesar de su contribución insignificante a la masa del átomo.
Los electrones se organizan en los niveles de energía o capas del átomo siguiendo el principio de exclusión de Pauli, el principio de Aufbau y la regla de Hund. La configuración más estable se logra cuando los electrones llenan primero los niveles de energía más bajos antes de pasar a los más altos. Esta disposición determina las propiedades químicas de un átomo, incluida su reactividad y su capacidad para formar enlaces con otros átomos.
Por ejemplo, el átomo de hidrógeno, que tiene un electrón, tiene este electrón en su primera capa. El oxígeno, con ocho electrones, tiene dos electrones en su primera capa y seis en su segunda capa.
Los electrones desempeñan un papel fundamental en la formación de enlaces químicos, interacciones que mantienen unidos a los átomos en moléculas o compuestos. Existen principalmente tres tipos de enlaces químicos: iónicos, covalentes y metálicos, y en todos ellos intervienen electrones. En un enlace iónico, los electrones se transfieren de un átomo a otro, dando como resultado iones positivos y negativos que se atraen entre sí. Los enlaces covalentes implican el intercambio de pares de electrones entre átomos, mientras que los enlaces metálicos se forman mediante la combinación de electrones que pueden moverse libremente por toda la estructura metálica.
El concepto de electrones orbitando el núcleo en trayectorias u órbitas definidas fue propuesto por primera vez por Niels Bohr. Sin embargo, la mecánica cuántica moderna proporciona una descripción más precisa, introduciendo el concepto de orbitales. Los orbitales son regiones del espacio alrededor del núcleo donde es probable que se encuentren los electrones. A diferencia de las órbitas definidas del modelo de Bohr, la mecánica cuántica describe las posiciones de los electrones en términos de probabilidades. El principio de incertidumbre de Heisenberg afirma que es imposible determinar simultáneamente la posición exacta y la velocidad de un electrón.
Este comportamiento cuántico de los electrones es crucial para comprender las estructuras complejas de los átomos más allá del átomo de hidrógeno más simple. Los electrones de átomos más grandes ocupan una compleja serie de orbitales con diferentes formas y niveles de energía. Estos incluyen los orbitales s, p, d y f, cada uno con una forma característica y capacidad para contener electrones.
Los electrones de valencia son los electrones que se encuentran en la capa más externa de un átomo. Desempeñan un papel importante en la determinación de las propiedades químicas de un átomo y su capacidad para interactuar con otros átomos. El número de electrones de valencia corresponde al número de grupo de un elemento en la tabla periódica para los bloques s y p. Por ejemplo, los elementos del grupo 1 tienen un electrón de valencia, mientras que los del grupo 18 tienen ocho electrones de valencia (a excepción del helio, que tiene dos).
La configuración de los electrones de valencia explica la periodicidad observada en la tabla periódica, donde los elementos de un mismo grupo exhiben comportamientos químicos similares. Esto se debe a que tienen la misma cantidad de electrones de valencia, lo que lleva a características y reacciones de enlace similares.
Los electrones pueden absorber energía y saltar a niveles de energía más altos o caer a niveles de energía más bajos, emitiendo energía en forma de fotones. Este proceso es fundamental para el fenómeno de la espectroscopia, donde se puede analizar el espectro de luz emitida para determinar la composición de una sustancia. La energía del fotón emitida o absorbida durante esta transición viene dada por la ecuación \(E = h\nu\) , donde \(E\) es la energía del fotón, \(h\) es la constante de Planck y \(\nu\) es la frecuencia del fotón.
Este principio se ilustra en el espectro de emisión de hidrógeno, que consta de varias líneas correspondientes a las transiciones de electrones entre niveles de energía. Cada transición libera un fotón de una longitud de onda específica, lo que da como resultado un espectro lineal exclusivo del hidrógeno.
El experimento del tubo de rayos catódicos: este es un experimento clásico que demuestra la presencia de electrones. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un gas a baja presión en un tubo de rayos catódicos, se produce un haz visible al ojo humano. Se descubrió que este haz era desviado por campos magnéticos y eléctricos, lo que sugiere la presencia de partículas cargadas negativamente, más tarde identificadas como electrones.
El experimento de la gota de aceite: realizado por Robert A. Millikan y Harvey Fletcher, este experimento midió la carga de un solo electrón. Se suspendieron pequeñas gotas de aceite entre dos placas cargadas y su movimiento bajo la influencia de un campo eléctrico permitió calcular la carga de cada gota. Este experimento determinó que la carga elemental es aproximadamente \(1.60 \times 10^{-19}\) culombios, estableciendo la cuantificación de la carga eléctrica.
En esta lección, hemos explorado los aspectos fundamentales de los electrones en el contexto de los átomos. Desde su distribución en los niveles de energía hasta su papel en los enlaces químicos y el comportamiento cuántico, los electrones son esenciales para comprender las innumerables propiedades y reacciones de los elementos. Saber cómo interactúan los electrones dentro de los átomos y con otros átomos sienta las bases para los vastos campos de la química y la física, explicando todo, desde la estructura de las moléculas hasta el comportamiento de los materiales.
