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Niveles de energía

Niveles de energía

Para hablar de niveles de energía primero tenemos que saber qué es el nivel energético. Cuando hablamos de nivel energético estamos haciendo referencia a un estado, o conjunto de ellos, cuya energía es uno de los valores posibles del operador hamiltoniano. Esto quiere decir que su valor de energía es un valor propio de este operador. Si hablamos en términos matemáticos, los estados de un nivel energético son funciones propias del mismo hamiltoniano.

Los electrones cuentan con energía y se mueven en la corteza del átomos en caminos determinados que son llamados orbitales. Estos elementos son capaces de determinar los niveles de energía, pero al mismo tiempo, cada uno de estos niveles posee uno o más subniveles de energía.

Niveles de energía

Si queremos describir las características de los electrones de un átomo debemos emplear los números cuánticos. Estos últimos son valores numéricos que determinan no solo el tamaño, sino además la forma y la orientación de un orbital. Los mismos pueden clasificarse en los siguientes:

  • Número cuántico principal. El mismo determina el tamaño del orbital. Para los elementos conocidos, se requieren 7 niveles de energía.
  • Cuántico secundario. Este número determina la forma del orbital. El valor de este número cuántico está directamente relacionado con el número cuántico principal. A cada valor de este número le corresponde una forma particular de orbital que se identifica con una letra minúscula: sharp (s), principal (p), difuse (d) y fundamental (f).
  • Número cuántico magnético. Este número hace referencia a la orientación del orbital en el espacio. El mismo toma valores enteros que van desde el -1 hasta el +1, incluyendo el 0. El número cuántico magnético depende directamente del número cuántico secundario que ya describimos.
  • Finalmente tenemos el número cuántico Spin. Este número hace referencia al sentido de rotación en el propio eje de los electrones en un orbital. Este movimiento genera un campo eléctrico.

En lo que sigue vamos a tratar con más detalle muchos de estos aspectos para poner más luz sobre los niveles de energía.

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Los niveles de energía de un átomo

Si tenemos en cuenta un átomo, sus electrones se encuentran girando alrededor del núcleo formando capas. En cada una de estas capas los electrones poseen diferentes energías.

A medida que nos acercamos más al núcleo, la fuerza de atracción entre el mismo y los electrones va en aumento. Esto hace que los mismos se encuentren fuertemente ligados. Contrariamente, en las capas más alejadas los electrones están débilmente ligados. Esto hace que sea más fácil hacer intercambios electrónicos en esta parte del átomo.

Que los electrones de un átomo cuenten con diferentes niveles de energía implica que se los puede clasificar por el nivel energético. Esto es también llamado banda energética. En función de esto podemos hacer algunas diferenciaciones.

  • Podemos encontrar siete niveles de energía o capas donde se pueden encontrar los electrones. En este sentido podemos ponerle un 1 al nivel más intenso, y un 7 al menos intenso o más externo.
  • Al mismo tiempo, cada uno de los niveles de energía cuenta con electrones que están repartidos en distintos subniveles. Estos subniveles pueden ser de diferentes tipo.
  • En cada subnivel hay un número determinado de orbitales. Estos últimos pueden tener como máximo dos electrones cada uno.

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¿A qué se deben los distintos niveles de energía?

Niveles de energía

Como dijimos antes, los electrones que conforman un átomo están distribuidos en diferentes capas o niveles energéticos. En función de la capa en la que se encuentre un electrón, se cuenta con una u otra energía.

La existencia de las capas se debe a dos hechos particulares. En primer lugar podemos hacer referencia al Principio de Exclusión de Pauli. El mismo hace que el número de electrones contenido en cada capa se encuentre limitado. En segundo lugar hay que hablar de solo ciertos valores de energía está permitidos.

Si bien un electrón no puede tener cualquiera de los niveles de energía, sino aquellas que están asociadas a los niveles energéticos de cada átomo, esto se puede modificar. Si conseguimos aportar energía a los electrones, los mismos van a poder pasar a otros niveles de energía superiores. De esta manera el átomo pasa a estar en un estado excitado.

Los estados excitados del átomo, donde un electrón ocupa un nivel energético alto, dejando huecos en los niveles más bajos, son inestables. Esto va a llevar a que luego de unos momentos, el electrón vuelve a niveles de energía inferiores y así se emite la energía sobrante en forma de fotones.

Si hablamos en términos de mecánica cuántica, las diferentes capas energéticas que mencionamos antes, son modelizadas como orbitales atómicos. Los mismos son distribuciones de energia eléctrica en el espacio. La forma exacta de los orbitales atómicos es lo que explica la reactividad del átomo y los tipos de combinaciones o compuestos que el mismo puede generar.

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¿Cómo se ubican los electrones en los orbitales?

Los electrones se ubican en los orbitales de un átomo como una manera de reducir la energía. Entonces, si se quiere aumentar la energía, dichos electrones van a llenar los principales niveles orbitales. Esto quiere decir que se van a alejar del núcleo del átomo.

Debemos tener en cuenta que los electrones cuentan con una propiedad intrínseca que se denomina espín. Se trata de un concepto cuántico que determina entre otras cosas el giro del electrón del orbital. Al mismo tiempo esto es la base para determinar la posición en los subniveles de energía.

Niveles de energía

Existen dos reglas que permiten determinar la posición de los electrones en los orbitales del átomo. Las mismas son:

  1. Principio de Aufbau. Los electrones ingresan a los orbitales que cuentan con menor energía en primer lugar.
  2. El principio de Exclusión de Pauli. En este caso, un orbital atómico puede describir al menos dos electrones. Lo que esto quiere decir es que únicamente dos electrones con diferentes espín de electrón pueden ocupar un orbital atómico.

A raíz de esto podemos decir que implica que un orbital atómico es un estado energético.

Por otro lado, por la regla de Hund podemos decir que cuando los electrones ocupan orbitales de la misma energía, en primer lugar ingresan a aquellos orbitales vacíos. Lo que esto quiere decir es que los electrones prefieren espines paralelos en orbitales separados de los subniveles energéticos.  Entonces, los electrones irán llenando todos los orbitales en los subniveles antes de encontrarse con espines opuestos.

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Configuraciones electrónicas especiales

Además de lo dicho, hay átomos con casos especiales de subniveles de energía. Cuando dos electrones ocupan el mismo orbital, no solo deben tener diferentes espines, sino que además el acoplamiento de los electrones eleva levemente la energía.

En el caso de los subniveles energéticos, un subnivel medio lleno y uno lleno completo, reducen la energía del átomo. Lo que esto termina por generar es que el átomo cuente con una mayor estabilidad.

Conocer los niveles de energía de los átomos y los electrones es fundamental para entender el comportamiento de los mismos. Además si conocemos estos comportamientos vamos a poder comprender muchos de los sucesos energéticos que son tan importantes en casi todos los planos de nuestras vidas.

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