El modelo atómico de Bohr fue uno de los primeros modelos clásicos del átomo caracterizado porque en él los electrones orbitan alrededor del núcleo atómico, a semejanza de los planetas girando en torno al Sol.
▣ Número cuántico principal (n): nos indica la energía del orbital, la capa y la distancia promedio del electrón al núcleo. Los valores que puede adquirir son números enteros: 1, 2, 3....
▣ Número cuántico de momento angular u orbital (l): nos muestra la “forma” del orbital, depende de n y toma valores enteros comprendidos entre 0 y (n-1).
Nos permite explicar la reactividad y los enlaces químicos de ciertos elementos, pero se trata tan sólo de un modelo aproximado, ya que los electrones se encuentran realmente en los denominados orbitales electrónicos.
Estos orbitales pueden definirse como aquellas áreas donde existe mayor probabilidad de encontrar un electrón en función de las ecuaciones matemáticas de la mecánica cuántica (ecuación de Schrödinger). Los orbitales atómicos son representados con formas relativamente complejas procedentes del hecho de que los electrones no se comportan únicamente como partículas, sino también como ondas. Por tanto, el término "órbita" del modelo de Bohr es reemplazado por el de "orbital atómico" en la descripción mecánico-cuántica.
Estos orbitales pueden definirse como aquellas áreas donde existe mayor probabilidad de encontrar un electrón en función de las ecuaciones matemáticas de la mecánica cuántica (ecuación de Schrödinger). Los orbitales atómicos son representados con formas relativamente complejas procedentes del hecho de que los electrones no se comportan únicamente como partículas, sino también como ondas. Por tanto, el término "órbita" del modelo de Bohr es reemplazado por el de "orbital atómico" en la descripción mecánico-cuántica.
A continuación, paso a describir cuatro conceptos fundamentales que emplea la mecánica cuántica para poder describir el estado de un electrón, pero no te preocupes, intentaré hacerlo de una manera sencilla para que puedas entenderlo, ya que mucha gente cuando lee la palabra “cuántica” suele sentir algo de recelo por la complejidad que puede conllevar intentar comprender esta rama de la física. Estos cuatro conceptos son cuatro números que indican, cada uno de ellos, una propiedad del electrón:
▣ Número cuántico principal (n): nos indica la energía del orbital, la capa y la distancia promedio del electrón al núcleo. Los valores que puede adquirir son números enteros: 1, 2, 3....
▣ Número cuántico de momento angular u orbital (l): nos muestra la “forma” del orbital, depende de n y toma valores enteros comprendidos entre 0 y (n-1).
| Valor de l | Tipo de orbital | Forma del orbital |
|---|---|---|
| 1 | s | Esférica |
| 2 | p | Dos esferas achatadas |
| 3 | d | Cuatro lóbulos |
| 4 | f | Exóticas y complejas |
▣ Número cuántico magnético (ml): describe la orientación del orbital según los ejes (X, Y, Z) correspondientes a las tres dimensiones del espacio. Sus valores son enteros entre –l y +l, incluyendo el cero.
▣ Número cuántico de espín-electrónico (ms): a diferencia de los anteriores es un número cuántico independiente que posee uno de estos dos valores: +1/2 y -1/2, los cuales, representan los dos posibles movimientos de giro del electrón, tanto en sentido horario como antihorario.
| Nombre | Número cuántico | Valores permitidos |
|---|---|---|
| Número cuántico principal | n | 1, 2, 3... |
| Número cuántico orbital | l | 0, 1, 2, 3...n-1 |
| Número cuántico magnético | ml | -l, (-l+1)...0...(l+1), l |
| Número cuántico de espín-electrónico | ms | 1/2, -1/2 |
Imagínate que quisiéramos caracterizar una prenda de vestir, podríamos hacerlo por ejemplo, mediante estas cuatro características:
▶ Su diseño que nos indicará si se trata de un pantalón, una camisa, una chaqueta....
▶ Su talla que nos ayudará a conocer si se trata de una prenda para niños, adolescentes o adultos.
▶ Su color: blanco, rojo, negro...
▶ El tipo de tejido empleado: nylon, algodón, lana...
Con esta analogía, lo que quiero expresar es que del mismo modo que una prenda podría ser definida con las cuatro propiedades que he descrito arriba, un electrón queda caracterizado por sus cuatro números cuánticos, mediante ellos sabremos, dentro de un átomo, de qué determinado electrón estamos hablando y cuál es su posición en el espacio.
Según avanzamos en la tabla periódica, los elementos se sitúan aumentando sucesivamente en una unidad el número de electrones y cumpliendo dos principios fundamentales, que son el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund:
▣ El primero de ellos establece que no pueden existir dos electrones, en un mismo átomo, con sus cuatro números cuánticos iguales, es decir, no pueden estar en lo que se conoce más técnicamente como el mismo estado cuántico. Si no se cumpliese este principio el comportamiento químico de todos los elementos sería distinto y la naturaleza no sería como la conocemos.
▣ La regla de Hund es una regla empírica que enuncia que el llenado con electrones de los orbitales atómicos de igual energía se va a realizar de tal modo, que se tiende a tener el número máximo de electrones desapareados dentro de ese orbital, con el fin de proporcionar mayor estabilidad al átomo. En este sentido nos comportamos de modo similar a los electrones cuando nos subimos a un autobús. Te habrás dado cuenta que preferimos estar “desapareados” en los asientos de un bús, sin nadie junto a nosotros. Y sólo cuando ya no tenemos posibilidad de hacerlo es cuando nos sentamos al lado de otra persona, los electrones, en los orbitales atómicos, actúan de la misma manera.
▣ El primero de ellos establece que no pueden existir dos electrones, en un mismo átomo, con sus cuatro números cuánticos iguales, es decir, no pueden estar en lo que se conoce más técnicamente como el mismo estado cuántico. Si no se cumpliese este principio el comportamiento químico de todos los elementos sería distinto y la naturaleza no sería como la conocemos.
▣ La regla de Hund es una regla empírica que enuncia que el llenado con electrones de los orbitales atómicos de igual energía se va a realizar de tal modo, que se tiende a tener el número máximo de electrones desapareados dentro de ese orbital, con el fin de proporcionar mayor estabilidad al átomo. En este sentido nos comportamos de modo similar a los electrones cuando nos subimos a un autobús. Te habrás dado cuenta que preferimos estar “desapareados” en los asientos de un bús, sin nadie junto a nosotros. Y sólo cuando ya no tenemos posibilidad de hacerlo es cuando nos sentamos al lado de otra persona, los electrones, en los orbitales atómicos, actúan de la misma manera.
Consideremos el caso del nitrógeno cuya configuración electrónica[1] es 1s22s22p3, cuyos electrones se acomodan como sigue:
 |
Puede observarse como en el caso del orbital p los electrones prefieren estar desapareados, y es que todos los orbitales en una capa (en nuestro ejemplo, la capa 2) deben encontrarse ocupados al menos por un electrón, antes de que se añada un segundo electrón a ese mismo orbital. Este hecho, y la regla de Hund que lo explica, surge con el propósito de que el átomo posea unas condiciones energéticas más estables.
[1] Establece el modo en el que se reparten los electrones entre los distintos niveles y orbitales.
Fuente: McGraw-Hill, Física Raymond A. Serway, 1993.
McGraw-Hill, Química Raymond Chang, 1992.
McGraw-Hill, Química Raymond Chang, 1992.
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