1.9B: Electrones de valencia y de núcleo
Los electrones de un átomo se dividen normalmente en dos categorías: electrones de valencia y de núcleo. Los electrones de valencia ocupan la capa más externa o el nivel de energía más alto de un átomo, mientras que los electrones del núcleo son los que ocupan la capa más interna o los niveles de energía más bajos. Esta diferencia influye en gran medida en el papel de los dos tipos de electrones en una reacción química. En general, los electrones de valencia pueden participar en la formación de enlaces químicos, pero los electrones del núcleo no. Mientras que los electrones del núcleo no participan en la formación de enlaces, influyen en la reactividad química de un átomo.
La configuración de los electrones de un átomo de oxígeno es
que puede ser abreviada
2s^2 2p^4 \label{2}]
donde el \(\) representa la configuración del helio (\(1s^2\)). Del mismo modo, la configuración del calcio con 20 electrones se puede escribir
4s^2 \label{3}]
donde el \(\) representa la configuración del argón (\(1s^22s^22p^6 3s^2 3p^6\)). Las configuraciones electrónicas que son iguales a las de los gases nobles son muy estables ya que tienen un octeto completo (excepto el helio con un orbital 1s completo).
Los electrones \(1s\) del oxígeno no participan en el enlace (es decir, en la química) y se denominan electrones del núcleo. Los electrones de valencia (es decir, la parte \(2s^22p^4\)) son electrones de valencia, que sí participan en la creación y ruptura de enlaces. Del mismo modo, en el calcio (Ecuación \(\ref{3}\)), los electrones de la capa cerrada tipo argón son los electrones del núcleo y los dos electrones del orbital 4s son electrones de valencia.
Ejemplo \(\PageIndex{1}\): Cobalto
¿Cuáles son los electrones del núcleo y de valencia en el cobalto?
Solución
Comienza escribiendo la configuración electrónica del cobalto con 27 electrones:
Sin embargo, el argón tiene la estructura electrónica \(1s^22s^22p^23s^23p^6\), por lo que podemos reescribir la configuración como
4s^23d^7 \nonumber]
Los dos electrones del orbital \(4s\) y los siete electrones del \(3d\) son los electrones de valencia: todos los demás son electrones del núcleo.
La periodicidad de los electrones de valencia puede verse en la Tabla Periódica. Básicamente, la periodicidad sólo se aplica a los elementos del grupo principal, mientras que en los metales de transición las reglas son complejas.
Los electrones del núcleo permanecen iguales en el aumento de los números de grupo en los elementos del grupo principal. Por otro lado, los electrones de valencia aumentan en uno de izquierda a derecha de un período principal, y permanecen igual hacia abajo de la columna de un grupo principal. Esta evolución da un cambio periódico en la propiedad de un período, y una propiedad química similar de un grupo, que se llama tendencia periódica. El número de electrones de valencia en un periodo principal es el mismo que su número de grupo. La siguiente tabla muestra esta regla claramente.
En construcción
Figura 1: 1A + 2A son metales. 3A a 8A son no metales.
Sin embargo, esta periodicidad no se puede aplicar al grupo de transición, que es más complicado que el del grupo principal. Aunque los electrones más externos pueden determinarse fácilmente, los electrones de valencia aparentes considerados en la reactividad química son complejos y fluctuantes. Los electrones que entran en el subnivel d pueden desempeñar un papel de electrones de valencia o de electrones de apantallamiento. Por tanto, no siempre hay un número determinado de electrones de valencia aparentes. El número de electrones de valencia aparentes para el primer periodo de los metales de transición se muestra en la siguiente tabla.
En construcción
Figura 2: Electrones de valencia para los metales de transición.
Relación con la reactividad química
La reactividad química de un átomo está determinada principalmente por los electrones de valencia. Los átomos que tienen una capa completa de electrones de valencia tienden a ser químicamente inertes. Los átomos con uno o dos electrones de valencia son muy reactivos. Este fenómeno puede explicarse mediante la regla de Hund, que establece que los orbitales que están vacíos, medio llenos o llenos son más estables que los que no lo están. Por ejemplo, el Ne es químicamente inerte porque tiene dos electrones de valencia que llenan su capa más externa, lo que lo hace estable en comparación con átomos como el Al, que tiene tres electrones de valencia, pero sus electrones de valencia no llenan su capa más externa.
Aunque los electrones del núcleo no participan en el enlace químico, desempeñan un papel en la determinación de la reactividad química de un átomo. Esta influencia se debe generalmente al efecto que tiene sobre los electrones de valencia. El efecto puede observarse a partir del cambio gradual de la reactividad química en un grupo. A medida que se desciende en un grupo, los electrones ocupan más cáscaras, lo que aumenta el tamaño del átomo. Cuantas más cáscaras de electrones del núcleo tenga un átomo, mayor será su tamaño, y más lejos estarán los electrones de valencia del núcleo, por lo que los electrones de valencia experimentarán menos carga nuclear efectiva y se perderán fácilmente. Por ejemplo, \ce{Na} y \ce{K} pueden reaccionar ambos con el agua, pero K tiene una reacción más radical porque tiene más capas de electrones del núcleo que hace que el electrón de valencia en su orbital más externo sea mucho más fácil de perder que el electrón de valencia de Na.