Capas electrónicas: qué son, estructura y número de electrones
Descubre qué son las capas electrónicas, su estructura, subniveles y cómo calcular el número de electrones por capa. Guía clara y visual para entender la configuración electrónica.
Una capa de electrones es la parte exterior de un átomo alrededor del núcleo atómico. Es donde se encuentran los electrones y corresponde a un conjunto de orbitales atómicos que comparten el mismo valor del número cuántico principal n. Cada capa representa, de forma aproximada, un nivel de energía distinto: cuanto mayor es n, mayor suele ser la energía media y la distancia típica de los electrones al núcleo.
Las cáscaras de electrones tienen una o más subcáscaras de electrones, o subniveles. Estos subniveles agrupan orbitales con el mismo número cuántico de momento angular l y se identifican por las letras s, p, d y f, entre otras. Las cáscaras de electrones constituyen la configuración electrónica de un átomo y determinan muchas de sus propiedades químicas. El número de electrones que pueden estar en una cáscara viene dado por la fórmula 2 n 2 {displaystyle 2n^{2}} 
, donde n es el número cuántico principal.
El nombre de las envolturas de los electrones procede del modelo de Bohr, en el que se imaginaba que los electrones giraban en órbitas circulares alrededor del núcleo a distancias definidas, formando "envolturas". Aunque los modelos actuales (mecánica cuántica y orbitales atómicos) no describen órbitas clásicas, la terminología de capas y subniveles se ha mantenido por su utilidad pedagógica y práctica en química y física atómica.
Estructura de capas y subniveles
Cada valor de n define una capa principal; dentro de ella existen subniveles:
- n = 1: subnivel 1s (hasta 2 electrones).
- n = 2: subniveles 2s y 2p (hasta 8 electrones en total).
- n = 3: subniveles 3s, 3p y 3d (hasta 18 electrones en total).
- n = 4: subniveles 4s, 4p, 4d y 4f (puede llegar hasta 32 electrones), y así sucesivamente.
Cada subnivel contiene un número fijo de orbitales: s (1 orbital), p (3 orbitales), d (5 orbitales) y f (7 orbitales). Cada orbital puede alojar como máximo dos electrones con espines opuestos (principio de exclusión de Pauli), por eso la capacidad de un subnivel es 2 · (número de orbitales).
Cantidad máxima de electrones por capa
La expresión 2n² indica la cantidad máxima de electrones en una capa con número cuántico principal n:
- n = 1 → 2·1² = 2 electrones (capa K)
- n = 2 → 2·2² = 8 electrones (capa L)
- n = 3 → 2·3² = 18 electrones (capa M)
- n = 4 → 2·4² = 32 electrones (capa N)
En la práctica, por el orden energético de los subniveles (y solapamientos entre capas) algunos orbitales de capas superiores pueden llenarse antes que ciertos orbitales de capas inferiores (por ejemplo, 4s se llena antes que 3d). Esto influye en la configuración electrónica real de los elementos.
Distribución electrónica: reglas básicas
- Principio de Aufbau: los electrones ocupan primero los orbitales de menor energía (orden típicamente 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p …).
- Principio de exclusión de Pauli: cada orbital puede contener como máximo dos electrones con espines opuestos.
- Regla de Hund: en subniveles degenerados (p, d, f), los electrones ocupan orbitales vacíos con espines paralelos antes de aparearse.
Existen excepciones conocidas a la ordenación ideal (por ejemplo, Cr y Cu en la tabla periódica) debido a la estabilización adicional que proporciona una subcapa d semillena o llena parcialmente.
Relación con la tabla periódica y valencia
La capa más externa ocupada por electrones se denomina capa de valencia. El número de electrones de valencia determina en gran medida la reactividad química y la capacidad del átomo para formar enlaces. En la tabla periódica, los elementos de un mismo grupo (columna) tienen configuraciones de valencia similares y, por ello, propiedades químicas parecidas.
Ejemplos breves
- H (hidrógeno): 1s¹ → una capa (n = 1) con 1 electrón.
- He (helio): 1s² → capa K completa (2 electrones).
- O (oxígeno): configuración 1s² 2s² 2p⁴ → capa L con 6 electrones (valencia 6, suele formar 2 enlaces).
- Na (sodio): 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ → capa M con 1 electrón de valencia (reactivo, tiende a perder 1 electrón).
Notas finales
Las capas electrónicas y sus subniveles son una forma práctica y fundamental de entender la estructura atómica y la química de los elementos. Aunque el modelo cuántico moderno describe probabilidades de presencia electrónica (orbitales) en lugar de órbitas definidas, las nociones de capa, subnivel y número cuántico siguen siendo esenciales para explicar propiedades atómicas y la organización de la tabla periódica. Para entender en detalle la energía relativa de los orbitales y las excepciones a la regla de Aufbau conviene consultar tablas y diagramas de orden energético y estudiar casos concretos en química inorgánica.
Ejemplo de un modelo de cáscara de electrón de sodio que tiene tres cáscaras
Cáscara de valencia
La capa de valencia es la capa más externa de un átomo en su estado no combinado, que contiene los electrones que más probablemente explican la naturaleza de cualquier reacción en la que participe el átomo y de las interacciones de enlace que tiene con otros átomos. Hay que tener en cuenta que la capa más externa de un ion no se denomina comúnmente capa de valencia. Los electrones de la capa de valencia se denominan electrones de valencia.
En un gas noble, un átomo tiende a tener 8 electrones en su capa exterior (excepto el helio, que sólo puede llenar su capa con 2 electrones). Esto sirve de modelo para la regla del octeto, que se aplica sobre todo a los elementos del grupo principal del segundo y tercer periodo. En términos de orbitales atómicos, los electrones de la corteza de valencia se distribuyen 2 en el único orbital s y 2 en los tres orbitales p.
Para los complejos de coordinación que contienen metales de transición, la capa de valencia está formada por electrones en estos orbitales s y p, así como por hasta 10 electrones adicionales, distribuidos como 2 en cada uno de los 5 orbitales d, para hacer un total de 18 electrones en una capa de valencia completa para dicho compuesto. Esto se conoce como la regla de los dieciocho electrones.
| Posible número de electrones en las capas 1-5 | |
| Shell | Electrones |
| 1 | 2 |
| 2 | 8 |
| 3 | 18 |
| 4 | 32 |
| 5 | 32 |
| 6 | 18 |
| 7 | 8 |
Subconjuntos
Las subcáscaras de electrones se identifican con las letras s, p, d, f, g, h, i, etc., que corresponden a los números cuánticos azimutales (valores l) 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, etc. Cada cáscara puede contener hasta 2, 6, 10, 14 y 18 electrones respectivamente, o 2(2l + 1) electrones en cada subcáscara. La notación "s", "p", "d" y "f" tiene su origen en un sistema, ahora desacreditado, de categorización de las líneas espectrales como "agudas", "principales", "difusas" o "fundamentales", basado en su estructura fina observada. Cuando se describieron los cuatro primeros tipos de orbitales, se asociaron a estos tipos de líneas espectrales, pero no hubo otros nombres. Las denominaciones "g", "h", etc., se derivaron siguiendo el orden alfabético.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es una envoltura de electrones?
R: Una envoltura de electrones, o nivel principal de energía, es la parte de un átomo donde se encuentran los electrones que orbitan alrededor del núcleo del átomo.
P: ¿Cuántos electrones puede haber en una determinada envoltura?
R: El número de electrones que puede haber en una determinada envoltura es igual a 2n2.
P: ¿Qué afirma el modelo de Bohr sobre los electrones?
R: El modelo de Bohr afirma que los electrones orbitan alrededor del núcleo a determinadas distancias de forma que sus órbitas forman "envolturas".
P: ¿Quién presentó este término?
R: Este término fue presentado por Niels Henrik David Bohr.
P: ¿Qué conforma la configuración electrónica de un átomo?
R: Las envolturas de electrones forman la configuración electrónica de un átomo.
P: ¿Están todos los átomos formados por una o varias envolturas de electrones?
R: Sí, todos los átomos tienen una o varias envolturas de electrones.
P: ¿Todas las envolturas electrónicas tienen un número variable de electrones?
R: Sí, todas las envolturas electrónicas tienen un número variable de electrones.
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