Estructura atómica

Todo está hecho de átomos 原子. Un átomo es en su mayoría espacio vacío. En su centro hay un pequeño y pesado núcleo 原子核. El núcleo contiene dos tipos de partículas: protones 质子和 neutrones 中子. Alrededor del núcleo, en el espacio vacío, se mueven los electrones 电子. Los electrones permanecen en capas electrónicas 壳层 — capas a distancias fijas del núcleo.

El núcleo es muy pequeño pero contiene casi toda la masa. Los electrones ocupan casi todo el espacio pero tienen casi ninguna masa.

Carga relativa y masa relativa

Comparamos las tres partículas utilizando la carga relativa 相对电荷 y la masa relativa 相对质量. Estos son números simples, no unidades reales.

Un protón y un neutrón tienen casi la misma masa. Un electrón es aproximadamente 1836 veces más ligero. El protón es positivo, el electrón es negativo y el neutrón no tiene carga; es neutro 中性.

Número atómico y número másico

Dos números describen el núcleo:

• el número atómico 质子数 (también llamado número atómico 原子序数), símbolo $Z$ — el número de protones.
• el número másico 核子数 (también llamado número másico 质量数), símbolo $A$ — el número total de protones y neutrones. Tanto los protones como los neutrones son nucleones 核子.

Por lo tanto, el número de neutrones es $A - Z$.

Contar partículas en un átomo o ion

Para un átomo neutro, el número de electrones es igual al número de protones, que es igual a $Z$.

Un ion 离子 es un átomo que ha perdido o ganado electrones, por lo que tiene una carga:

• un ion positivo tiene menos electrones que protones.
• un ion negativo tiene más electrones que protones.

Ejemplo: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ tiene $13$ protones, $27 - 13 = 14$ neutrones, y $13 - 3 = 10$ electrones (perdió 3 electrones para convertirse en $3+$).

Cómo se distribuyen la masa y la carga

Casi toda la masa se encuentra en el núcleo, porque los protones y neutrones son pesados y los electrones son muy ligeros. Toda la carga positiva está en el núcleo (los protones). La carga negativa se distribuye en las capas electrónicas (los electrones).

Haz de partículas en un campo eléctrico

Imagina haces de protones, neutrones y electrones moviéndose a la misma velocidad hacia un campo eléctrico 电场 entre dos placas cargadas:

• el haz de protones se desvía hacia la placa negativa (los protones son positivos).
• el haz de electrones se desvía en dirección opuesta, hacia la placa positiva. Se desvía mucho más, porque el electrón es mucho más ligero — la misma fuerza produce una mayor desviación 偏转 en una masa menor.
• el haz de neutrones pasa recto. No tiene carga, así que el campo no ejerce fuerza sobre él.

Radio atómico e iónico

El radio atómico 原子半径 es el tamaño de un átomo. El radio iónico 离子半径 es el tamaño de un ion.

A lo largo de un período 周期 (de izquierda a derecha), el radio atómico se hace más pequeño. La carga nuclear 核电荷 (la atracción de los protones) aumenta, pero los electrones entran en la misma capa externa, por lo que el efecto pantalla 屏蔽 por las capas internas permanece aproximadamente igual. La atracción más fuerte atrae la capa externa hacia adentro.

Hacia abajo en un grupo 族 (de arriba hacia abajo), el radio atómico se hace más grande. Cada paso hacia abajo añade una nueva capa, por lo que los electrones externos están más alejados y sienten más efecto pantalla del núcleo.

Para iones:

• un ion positivo (catión 阳离子) es más pequeño que su átomo. Ha perdido su capa externa, y los electrones restantes sienten una atracción más fuerte cada uno.
• un ion negativo (anión 阴离子) es más grande que su átomo. Ha ganado electrones, por lo que hay más repulsión 排斥 entre los electrones.
• entre iones que tienen el mismo número de electrones, el que tiene más protones es más pequeño.

Los isótopos 同位素 son átomos del mismo elemento con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. Por lo tanto, los isótopos tienen el mismo número atómico $Z$ pero diferente número másico $A$.

Escribimos un isótopo como $^{A}_{Z}\text{X}$: el número másico $A$ arriba, el número atómico $Z$ abajo. Por ejemplo, el cloro tiene dos isótopos principales, $^{35}_{17}\text{Cl}$ y $^{37}_{17}\text{Cl}$.

Mismas propiedades químicas

Las propiedades químicas 化学性质 dependen de los electrones, especialmente los electrones externos. Los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo número de electrones dispuestos de la misma manera. Por lo tanto, reaccionan exactamente de la misma manera — tienen las mismas propiedades químicas.

Diferentes propiedades físicas

Algunas propiedades físicas 物理性质 dependen de la masa, por lo que difieren entre isótopos. Un isótopo más pesado tiene más neutrones, por lo tanto más masa, y por consiguiente una mayor densidad 密度. (El programa de estudios limita esta diferencia a la masa y la densidad.)

Los electrones están dispuestos en capas electrónicas, subcapas y orbitales.

Capas electrónicas y número cuántico principal

Cada capa está etiquetada por el número cuántico principal 主量子数 $n = 1, 2, 3, \dots$ Un $n$ mayor significa una capa más lejos del núcleo y con mayor energía.

Subcapas y orbitales

Cada capa se divide en subcapas 亚层, nombradas s, p y d. Cada subcapa está construida a partir de orbitales 轨道. Un orbital es una pequeña región que puede contener hasta dos electrones.

Por lo tanto, una subcapa s contiene 2 electrones, una subcapa p contiene 6, y una subcapa d contiene 10.

Orden de energía creciente

Los electrones llenan primero la subcapa de menor energía. Para las primeras tres capas, más 4s y 4p, el orden de energía creciente es:

Nota la sorpresa: 4s tiene ligeramente menos energía que 3d, por lo que 4s se llena primero.

Configuración electrónica

La configuración electrónica 电子排布 enumera cuántos electrones hay en cada subcapa. La disposición de menor energía es el estado fundamental 基态.

Para el hierro (Fe, $Z = 26$):

Puedes escribir una abreviatura usando el gas noble 稀有气体 más cercano entre corchetes:

Aquí $[\text{Ar}]$ representa la configuración completa del argón.

Para iones, añades o quitas electrones. Una regla clave: cuando un metal de transición forma un ion positivo, pierde sus electrones 4s antes que sus electrones 3d. Así que $\text{Fe}^{3+}$ es $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

Electrones en cajas

La notación de electrones en cajas 电子在盒子里 dibuja cada orbital como una caja y cada electrón como una flecha. Dos electrones en el mismo orbital deben apuntar en direcciones opuestas, porque cada electrón tiene una propiedad llamada spin 自旋, y un orbital compartido necesita spins opuestos.

Dentro de una subcapa, los electrones llenan orbitales vacíos uno a la vez, con flechas paralelas, antes de que cualquier orbital reciba un segundo electrón. Dispersarse de esta manera mantiene a los electrones separados y reduce la repulsión entre ellos.

Por qué la configuración tiene esta forma

Los electrones se llenan de baja energía a alta energía porque eso da el átomo más estable (de menor energía). Dentro de una subcapa, se dispersan individualmente primero para reducir la repulsión entre los electrones negativos.

Formas de orbitales s y p

• un orbital s es una esfera 球形 centrada en el núcleo.
• un orbital p tiene dos lóbulos, como una mancuerna, apuntando a lo largo de un eje. Los tres orbitales p apuntan en tres direcciones perpendiculares (los ejes $x$, $y$ y $z$).

Radicales libres

Un radical libre 自由基 es una especie con uno o más electrones desapareados 未成对电子. Los radicales libres son muy reactivos.

Primera energía de ionización

La primera energía de ionización 第一电离能 (IE) es la energía necesaria para extraer un electrón de cada átomo en un mol de átomos gaseosos, formando un mol de iones gaseosos $+1$.

Usamos átomos gaseosos para que no haya fuerzas entre las partículas. La unidad es $\text{kJ mol}^{-1}$. Como ecuación, para un elemento X:

El $(\text{g})$ indica que la especie es un gas.

Energías de ionización sucesivas

Después de extraer un electrón, puedes extraer otro. La segunda energía de ionización extrae un electrón de cada ion $+1$:

Puedes seguir así. Estas son las energías de ionización sucesivas 逐级电离能. Cada una es mayor que la anterior, porque cada electrón es arrancado de un ion más positivo.

De qué depende la energía de ionización

La energía de ionización proviene de la atracción entre el núcleo positivo y el electrón externo. Tres factores principales determinan qué tan fuerte es esa atracción:

• carga nuclear: más protones atraen los electrones con más fuerza, por lo que la energía de ionización es mayor.
• radio atómico: cuanto más lejos esté el electrón externo del núcleo, más débil es la atracción, por lo que la energía de ionización es menor.
• efecto pantalla: las capas internas bloquean parte de la atracción sobre el electrón externo. Más capas internas significan más efecto pantalla y una energía de ionización menor.

También existe un efecto menor — repulsión por apareamiento de spin 自旋成对排斥. Cuando dos electrones comparten un orbital, se empujan ligeramente entre sí, por lo que uno es más fácil de extraer.

Tendencias en la primera energía de ionización

A lo largo de un período, la primera energía de ionización generalmente aumenta. La carga nuclear crece mientras el efecto pantalla permanece aproximadamente igual, por lo que los electrones externos están retenidos con más firmeza.

Hacia abajo en un grupo, la primera energía de ionización disminuye. Los elementos inferiores tienen más capas, por lo que hay más efecto pantalla y un radio mayor, y el electrón externo es más fácil de extraer.

Las caídas son evidencia de las subcapas

El aumento a lo largo de un período no es suave. Aparecen dos pequeñas caídas, y debes ser capaz de explicar ambas:

• Grupo 2 al Grupo 13 (por ejemplo Mg a Al): el electrón extraído del Al proviene de una subcapa 3p, que tiene más energía que la subcapa 3s completa en Mg. Un electrón 3p es más fácil de extraer, por lo que el valor cae.
• Grupo 15 al Grupo 16 (por ejemplo P a S): en S, un orbital 3p ahora contiene un par de electrones. La repulsión por apareamiento de spin hace que uno de ellos sea más fácil de extraer, por lo que el valor cae.

Estas caídas son evidencia de que existen las subcapas.

Las energías de ionización sucesivas son evidencia de las capas electrónicas

Si graficas las energías de ionización sucesivas de un mismo elemento, los valores aumentan, con saltos grandes en ciertos puntos. Un salto grande ocurre cuando el siguiente electrón debe provenir de una capa más cercana al núcleo.

Cuenta cuántos electrones salen fácilmente antes del primer salto grande — ese es el número de electrones en la capa externa, lo cual te dice el grupo al que pertenece el elemento. También puedes usar el patrón para determinar la configuración electrónica y la posición del elemento en la Tabla Periódica.

Ejemplo resuelto. Las primeras cinco energías de ionización sucesivas de un elemento son $590$, $1150$, $4940$, $6480$ y $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. ¿A qué grupo pertenece? Busca el salto grande, no el número más grande. Del 1º al 2º el valor se duplica aproximadamente, lo cual es un aumento normal. Del 2º ($1150$) al 3º ($4940$) se cuadruplica más que eso: ese es el salto. Por lo tanto, dos electrones salen fácilmente antes de él, la capa externa contiene 2 electrones, y el elemento pertenece al Grupo 2. Cuenta los electrones extraídos antes del salto, y explica el salto adecuadamente: el siguiente electrón está siendo arrancado de una capa más cerca del núcleo, no de un elemento diferente.

• Define isótopos completamente: átomos del mismo elemento con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones — el esquema de corrección requiere ambas partes.
• 4s se llena antes que 3d, pero los electrones se extraen de 4s primero al formar iones, por lo que $\text{Fe}^{3+}$ es $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (no $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
• En las energías de ionización sucesivas, un salto grande marca el inicio de una nueva (interna) capa — usa los saltos para colocar el elemento en su grupo.
• Explica cada tendencia de energía de ionización con los mismos tres factores: carga nuclear, distancia y efecto pantalla, más los efectos de subcapa para las pequeñas caídas.
• Aprende la razón exacta por la cual la primera energía de ionización del oxígeno está por debajo de la del nitrógeno: los electrones apareados 2p del oxígeno se repelen, por lo que uno es más fácil de extraer.