Exceptuando a los gases nobles, los elementos se presentan en la naturaleza, no como átomos, sino como moléculas; es decir, formando moléculas que son compuestos químicos formados por dos o más átomos. ¿Entonces qué explicación puede haber para que en condiciones ambientales normales se agreguen entre sí y formen moléculas? Una teoría que nos da una explicación sobre todo para compuestos sencillos es la llamada teoría de la configuración de gas noble.
Capas y subcapas del átomo
Los electrones no se encuentran dispuestos en el átomo al libre albedrío ocupando el espacio al azar; sino que se encuentran ordenados y distribuidos en capas y subcapas. El orden de llenado de electrones es en orden de la capa más próxima al núcleo del átomo en adelante.
La configuración electrónica de un átomo
Las capas se representan por un número siendo el 1 el nivel de energía más bajo posible de un átomo y de ahí en adelante; a su vez, las capas se dividen en subcapas y se representan por las letras s p d f, y su llenado sigue ese mismo orden. Además encima de la letra que representa a cada subcapa se debe indicar el número de electrones que la ocupan. Por lo tanto la configuración electrónica de un átomo vendría dada por la capas y subcapas ocupadas; para verlo más claro pondremos unos ejemplos:
Hidrógeno, H (Z = 1): 1s1.
Helio, He (Z = 2): 1s2.
Magnesio, Mg (Z = 12): 1s2 2s2p6 3s2.
Cloro, Cl (Z = 17): 1s2 2s2p6 3s2 3p5.
Las subcapas y los periodos
Como se han visto en los ejemplos anteriores; las diferentes subcapas tienen distintas capacidades de albergar electrones, así pues:
| Subcapa | Número máximo de electrones |
|---|---|
| s | 2 |
| p | 6 |
| d | 10 |
| f | 14 |
Si nos vamos a la tabla periódica vemos que los periodos presentan distintos números de elementos; así pues, en el periodo uno solo hay dos elementos, en los periodos 2 y 3 hay 8 elementos; y finalmente los periodos que van del cuarto al séptimo hay 18 elementos. Además de dos filas de 14 elementos cada una, extraídas de los periodos 6 y 7 y puestas a parte.
Esta distribución de los elementos en los periodos no es una casualidad; sino que es debida a la configuración electrónica de los elementos. El periodo o fila en el que se encuentra un elemento coincide con su capa externa, además la cantidad de elementos de un periodo tiene que ver con las subcapas que forman la capa correspondiente.
Por lo tanto, en el periodo 1 solo hay dos elementos porque la capa 1 solo contiene a la subcapa s; en el periodo 2 hay 8 elementos porque la capa 2 está formada la subcapa s y la p. Sin embargo el periodo 3 debería reflejar ya 18 elementos y no solo a 8, como le correspondería a la capa 3 que está formada por las subcapas s, p y d; esto es debido a que la subcapa 4s se llena antes que la 3d por una cuestión estabilidad energética, explicada por la mecánica cuéntica. Por útlimo, las capas o niveles de energía del 4 al 7 están formados por las subcapa s, p, d y f.
La configuración de gas noble
En la capa externa de los átomos se encuentran los electrones responsables de formar los enlaces químicos; porque pueden combinarse e interactuar a u vez con los electrones externos de otros átomos, y así formar moléculas o compuestos químicos.
Entonces ¿por qué es la capa externa la responsable de la formación de sustancias poliatómicas? Los gases nobles no forman moléculas de manera natural porque su capa externa está completa, en consecuencia son elementos inertes y estables; por lo tanto se dice que su configuración es electrónica es estable.
El resto de los elementos no tienen completa su capa externa, por lo que como átomos en solitario son inestables, y por tanto tratan de conseguir la configuración electrónica de gas noble para estabilizarse; bien cediendo electrones, compartiéndolos o ganándolos de otros átomos, lo que da lugar a la formación de compuestos químicos; estos deberán obligatoriamente cumplir con el principio de neutralidad de carga, es decir, tendrá que haber igual número de protones que de electrones.
Por ejemplo, un no-metal tratará de atraer electrones de otros átomos para completar su capa externa; en cambio un metal, por lo general, cederá o perderá electrones para lograr la configuración de gas noble.
La configuración electrónica compacta de un elemento
También llamada de kernel, es aquella en la que se sustituye la configuración electrónica de las capas internas de un elemento cualquiera por su equivalente en gas noble, colocando su símbolo entre corchetes. Por ejemplo, para el magnesio Mg sería:
Mg: 1s2 2s2 2p6 3s2.
Ne: 1s2 2s2 2p6.
Mg en configuración de kernel: [Ne] 3s2 .
Ejemplos de aplicación de la teoría de la configuración de gas noble
1 ¿Qué compuesto se formará a partir del aluminio Al y del oxígeno O?
Al: configuración electrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. [Ne] 3s2 3p1.
O: onfiguración electrónica 1s2 2s2 2p4. [He] 2s2 2p4.
El aluminio debe ceder 3 electrones para lograr la configuración electrónica del neón Ne, y el oxígeno tiene que ganar 2 electrones para lograr también la configuración del Ne. Para asegurar la neutralidad de carga el compuesto que se forma debe ser:
Porque 2 átomos de aluminio ceden 6 electrones que son ganados en conjunto por 3 átomos de oxígeno.
2 ¿Qué compuesto se formará a partir del calico Ca y del oxígeno Cl?
Ca: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. [Ar] 4s2.
Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5. [Ne] 3s2 3p5.
El calcio debe ceder 2 electrones para lograr la configuración electrónica del argón Ar, y el cloro tiene que ganar un electrón para lograr la configuración del Ne. Aplicando el principio de neutrlidad de carga, se tiene:
Porque 2 átomos de aluminio ceden 6 electrones que son ganados en conjunto por 3 átomos de oxígeno.
