Por qué se unen los átomos
Lo que vas a aprender
- Calcular los electrones de valencia de un átomo con Z hasta 20 repartiendo sus electrones por niveles.
- Calcular cuántos electrones le faltan o le sobran a un átomo para quedar con su último nivel lleno, con ocho o con dos cuando ese nivel es el primero (el hidrógeno, y el litio y el berilio cuando ceden).
- Explicar con la idea de energía por qué dos átomos unidos son más estables que separados.
- Reconocer los tres caminos hacia el octeto, ceder, recibir o compartir electrones, y el tipo de átomo que toma cada uno.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Mira a tu alrededor: el agua del vaso, la sal del salero, el aire que respiras, la madera del pupitre. Casi nada de lo que te rodea está hecho de átomos sueltos. Los átomos de hidrógeno y de oxígeno van juntos en el agua; el sodio y el cloro, en la sal; hasta el oxígeno del aire viaja en parejas de átomos. La gran excepción son los gases nobles, como el helio de los globos que flotan o el neón de algunos avisos luminosos: sus átomos andan solos.
¿Por qué casi todos los átomos se unen y unos pocos no? La respuesta está en los electrones del último nivel. Entenderla es la base de toda esta unidad: el enlace iónico, el enlace covalente y la razón por la que la sal y el azúcar se comportan tan distinto.
Antes de empezar recuerda el modelo de Bohr que viste en séptimo: el núcleo en el centro y los electrones en niveles a su alrededor. En un átomo neutro hay tantos electrones como protones, y ese número es el número atómico, Z.
Explicación
Los electrones, nivel por nivel
En los primeros veinte elementos de la tabla periódica, del hidrógeno al calcio, los electrones se acomodan en orden, del nivel más cercano al núcleo hacia afuera: el primer nivel recibe hasta 2; el segundo, hasta 8; el tercero recibe 8, y los que sobran pasan al cuarto. (En elementos más pesados el tercer nivel llega a tener más; eso lo verás en décimo).
El último nivel que tiene electrones se llama nivel de valencia, y sus electrones son los electrones de valencia. Son los de afuera: los que están más lejos del núcleo y los primeros que se encuentran con los electrones de otro átomo. Por eso son ellos los que participan en las uniones; los electrones de los niveles internos no intervienen.
Para saber cuántos electrones de valencia tiene un átomo basta con repartir Z. El cloro tiene Z = 17, que se reparte como 2 + 8 + 7: tiene 7 electrones de valencia. El sodio tiene Z = 11, que se reparte como 2 + 8 + 1: tiene uno solo.
Hay un atajo con la tabla periódica: los elementos del grupo 1 tienen 1 electrón de valencia; los del grupo 2, dos; los del grupo 16, seis, y los del grupo 17, siete. Por eso los elementos de una misma columna se parecen tanto en su comportamiento químico.
Modelo de Bohr del sodio y del cloro. Los electrones de valencia están en azul: el sodio tiene uno en su último nivel y el cloro, siete.
Los gases nobles: el último nivel lleno
El helio tiene su único nivel completo con 2 electrones. El neón y el argón tienen 8 en su último nivel. Estos átomos casi no reaccionan con nada: tener el último nivel lleno es una situación muy estable.
¿Qué quiere decir estable? En química, un sistema es más estable cuando tiene menos energía. Piensa en una pelota en una ladera: rueda hasta el fondo del valle y allí se queda, porque abajo tiene menos energía, y para subirla otra vez hay que empujarla. Nadie diría que la pelota «quiere» bajar. Con los átomos pasa algo parecido: cuando dos átomos se unen, el conjunto queda con menos energía que los átomos separados, y para volver a separarlos hay que darles energía. Por eso las uniones duran.
Cuidado con decir que un átomo «quiere» o «necesita» electrones: los átomos no tienen deseos. Lo correcto es decir que la situación con el último nivel completo es más estable, es decir, de menor energía.
La regla del octeto
De la observación de los gases nobles sale una guía muy útil, la regla del octeto: al unirse, los átomos de los grupos 1, 2, 16 y 17 tienden a quedar con su último nivel lleno, como un gas noble: casi siempre, con ocho electrones. La excepción es cuando ese último nivel es el primero, que se llena con dos, como el del helio. Le pasa al hidrógeno, que solo tiene ese nivel, y también al litio y al berilio cuando ceden sus electrones de valencia: les queda solo el primer nivel, con dos.
La regla del octeto es una guía y no una ley: hay compuestos que no la cumplen. Pero con los elementos que vas a estudiar en esta unidad funciona muy bien.
Tres caminos hacia el octeto
Un átomo puede terminar con su último nivel lleno de tres maneras:
- Ceder electrones. Al sodio le sobra un electrón: si lo entrega, su último nivel pasa a ser el segundo, que ya tiene ocho. Es mucho más corto ceder uno que recibir siete. Así se comportan los metales de los grupos 1 y 2.
- Recibir electrones. Al cloro le falta uno para ocho, y le resulta más corto recibir uno que ceder siete. Así se comportan los no metales de los grupos 16 y 17 cuando se encuentran con un metal.
- Compartir electrones. Cuando se encuentran dos no metales, ninguno cede con facilidad: ponen electrones en común y cada átomo los cuenta en su último nivel.
Los dos primeros caminos van juntos, porque lo que un átomo cede lo recibe otro, y llevan al enlace iónico. El tercero lleva al enlace covalente. Los verás en las dos lecciones que siguen. Un enlace químico, en general, es la unión entre átomos que resulta de cómo se reparten o se comparten sus electrones de valencia.
Cambia entre el sodio y el cloro con los botones y cuenta los electrones del último nivel. Al sodio le sobra uno para quedar con un nivel lleno; al cloro le falta uno para tener ocho.
Ejemplo resuelto
Los electrones de valencia del cloro
El cloro tiene Z = 17. ¿Cuántos electrones de valencia tiene y cuántos le faltan para tener ocho en su último nivel?
Ver la solución paso a paso
En la tabla periódica, el número atómico del cloro es 17; el átomo neutro tiene 17 electrones:
$$Z(\mathrm{Cl}) = 17$$
Los repartimos por niveles: 2 en el primero, 8 en el segundo y el resto en el tercero. La suma tiene que dar Z:
$$2 + 8 + 7 = 17$$
El último nivel es el tercero, con 7 electrones. Lo mismo sale restando los electrones internos:
$$Z(\mathrm{Cl}) - 2 - 8 = 7$$
Para tener ocho en su último nivel le falta:
$$8 - 7 = 1$$
Recibir un electrón es un camino mucho más corto que ceder siete. Por eso, frente a un metal, el cloro recibe.
Respuesta: Tiene 7 electrones de valencia y le falta 1 para el octeto.
Ejemplo resuelto
¿Ceder o recibir? El magnesio
El magnesio tiene Z = 12. ¿Qué camino es más corto para que su último nivel quede lleno, ceder o recibir electrones?
Ver la solución paso a paso
El número atómico del magnesio es 12:
$$Z(\mathrm{Mg}) = 12$$
Repartimos sus electrones por niveles:
$$2 + 8 + 2 = 12$$
Tiene 2 electrones de valencia, en el tercer nivel:
$$Z(\mathrm{Mg}) - 2 - 8 = 2$$
Para llenar el tercer nivel tendría que recibir:
$$8 - 2 = 6$$
Ceder 2 es más corto que recibir 6:
$$2 < 6$$
Si cede sus 2 electrones de valencia, le quedan 10, repartidos como 2 + 8: su último nivel pasa a ser el segundo, que está lleno.
$$Z(\mathrm{Mg}) - 2 = 2 + 8$$
Respuesta: Le resulta más corto ceder sus 2 electrones de valencia que recibir 6.
Ejemplo resuelto
El hidrógeno se completa con dos
El hidrógeno tiene Z = 1. ¿Cuántos electrones le faltan para completar su último nivel?
Ver la solución paso a paso
El número atómico del hidrógeno es 1: tiene un solo electrón, en el primer nivel.
$$Z(\mathrm{H}) = 1$$
El primer nivel se llena con 2 electrones, como en el helio, que tiene Z = 2:
$$Z(\mathrm{He}) = 2$$
Así que al hidrógeno le falta:
$$2 - Z(\mathrm{H}) = 1$$
Contar hasta ocho aquí es un error: el primer nivel no recibe más de dos electrones. Para el hidrógeno, «completo» quiere decir dos.
Respuesta: Le falta 1 electrón: el hidrógeno se completa con 2, no con 8.
Ejemplo resuelto
El argón y el potasio
El argón tiene Z = 18 y el potasio, Z = 19. Compara sus últimos niveles.
Ver la solución paso a paso
El número atómico del argón es 18:
$$Z(\mathrm{Ar}) = 18$$
Sus electrones llenan los tres primeros niveles. El tercero tiene 8: el argón es un gas noble y casi no reacciona.
$$2 + 8 + 8 = 18$$
El número atómico del potasio es 19:
$$Z(\mathrm{K}) = 19$$
El electrón que sobra va al cuarto nivel: el potasio tiene un electrón de valencia, como el sodio, que está en su mismo grupo.
$$2 + 8 + 8 + 1 = 19$$
Si el potasio cede ese electrón, le quedan tantos electrones como tiene el argón:
$$Z(\mathrm{K}) - 1 = Z(\mathrm{Ar})$$
Respuesta: El argón tiene 8 electrones en su último nivel; el potasio tiene 1, y si lo cede queda con 18, como el argón.
Práctica
El azufre tiene Z = 16. ¿Cuántos electrones de valencia tiene?
16 = 2 + 8 + 6: en el tercer nivel quedan 6. Coincide con el atajo de la tabla: el azufre está en el grupo 16.
El oxígeno tiene Z = 8. ¿Cuántos electrones le faltan para tener ocho en su último nivel?
Sus electrones se reparten como 2 + 6: tiene 6 electrones de valencia, y para llegar a ocho le faltan 2.
El sodio tiene Z = 11. ¿Cuántos electrones tiene que ceder para que su último nivel quede lleno?
11 = 2 + 8 + 1. Si cede el electrón del tercer nivel, su último nivel pasa a ser el segundo, que tiene ocho.
El calcio tiene Z = 20. ¿Cuántos electrones tiene en su último nivel?
20 = 2 + 8 + 8 + 2: el tercer nivel recibe 8 y los 2 que sobran van al cuarto. Responder 10 es olvidar ese límite del tercer nivel. El calcio está en el grupo 2.
El hidrógeno tiene Z = 1. ¿Cuántos electrones le faltan para completar su nivel?
El único nivel del hidrógeno se completa con 2, como el del helio: le falta 1. La respuesta 7 sale de contar hasta ocho, que no aplica al primer nivel.
El litio tiene Z = 3. ¿Cuántos electrones de valencia tiene?
3 = 2 + 1: el primer nivel tiene 2 y el segundo, 1. Si el litio cede ese electrón, le queda el primer nivel lleno, como el helio.
Un átomo neutro tiene 2 electrones en el primer nivel, 8 en el segundo y 6 en el tercero. ¿Cuál es su número atómico?
En un átomo neutro, Z es el total de electrones: 2 + 8 + 6 = 16. Es el azufre.
¿Verdadero o falso? El neón tiene Z = 10 y su último nivel ya está lleno: le faltan 0 electrones para tener ocho.
10 = 2 + 8: el segundo nivel, que es el último, tiene ocho. Por eso el neón casi no forma compuestos.
¿Verdadero o falso? El flúor tiene Z = 9, así que tiene que recibir 7 electrones para tener ocho en su último nivel.
9 = 2 + 7: el flúor tiene 7 electrones de valencia y le falta 1, no 7. Se confundió lo que tiene con lo que le falta.
¿Qué quiere decir que dos átomos unidos son «más estables» que separados?
Estable quiere decir de menor energía, como la pelota en el fondo del valle. Los átomos no tienen deseos, la masa no cambia al unirse y las uniones sí se pueden romper si se les da suficiente energía.
¿Por qué son los electrones de valencia, y no los de los niveles internos, los que participan en las uniones?
Todos los electrones tienen la misma carga y la misma masa, y ninguno está en el núcleo. Lo que distingue a los de valencia es su lugar: están afuera.
Reto
Abre el candado de los electrones.
Cada pista da un dígito. Reparte los electrones por niveles, 2, luego 8, luego 8, y mira el último.
Reto
¿Cuál no es como los demás?
Z es el número atómico de cada elemento. Haz la cuenta de cada tarjeta y toca la que da un resultado distinto al de las otras.
Cierre
En resumen
Los electrones de valencia son los del último nivel; se cuentan repartiendo Z en niveles de 2, 8 y 8 (hasta el calcio).
Los gases nobles tienen el último nivel lleno y casi no reaccionan; esa situación es muy estable.
Estable quiere decir de menor energía; dos átomos unidos tienen menos energía que separados. Los átomos no «quieren» electrones.
La regla del octeto es una guía, no una ley: los átomos de los grupos 1, 2, 16 y 17 tienden a quedar con su último nivel lleno, casi siempre con ocho electrones; cuando ese nivel es el primero, con dos (el hidrógeno, y el litio y el berilio al ceder).
Hay tres caminos hacia el octeto: ceder (metales), recibir (no metales frente a un metal) y compartir (entre no metales).
Vocabulario
- Electrones de valencia
Electrones del último nivel de un átomo, el más alejado del núcleo. Son los que participan en las uniones con otros átomos.
- Nivel de valencia
El último nivel de un átomo que tiene electrones.
- Estabilidad
En química, un sistema es más estable cuanta menos energía tiene; para sacarlo de esa situación hay que darle energía.
- Regla del octeto
Guía según la cual los átomos, al unirse, tienden a quedar con su último nivel lleno, como un gas noble: con ocho electrones, o con dos cuando ese último nivel es el primero (el hidrógeno; el litio y el berilio cuando ceden).
- Enlace químico
Unión entre átomos que resulta de cómo se reparten o se comparten sus electrones de valencia.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte qué tienen en común el agua, la sal y el aire, y por qué el helio de un globo no forma compuestos. Deje la pregunta abierta.
- Explicación · 15 min — Repase el modelo de Bohr con la figura del sodio y el cloro. Resuelva en el tablero el cloro y el magnesio, escribiendo siempre la suma de los niveles que da Z.
- Práctica · 20 min — Preguntas y retos en parejas. Insista en el hidrógeno, que se completa con dos. El candado y el intruso se pueden proyectar y resolver en grupo.
- Cierre · 5 min — Que cada estudiante escriba con sus palabras qué quiere decir que dos átomos unidos son más estables, sin usar los verbos «querer» ni «necesitar».
Preguntas para el salón
- Si el último nivel lleno es tan estable, ¿por qué el sodio no se encuentra suelto en la naturaleza y el neón sí?
- ¿Qué se parece más al potasio, el sodio o el argón? ¿Por qué?
- Si los átomos no tienen deseos, ¿cómo explicarían a un compañero por qué el sodio cede su electrón?
Errores típicos
- Contar como electrones de valencia todos los electrones del átomo. Pida escribir la suma por niveles (2 + 8 + 7) y encerrar en un círculo el último sumando: solo ese es de valencia.
- Pensar que el hidrógeno se completa con ocho. Compárelo con el helio: el primer nivel se llena con dos, y el hidrógeno solo tiene ese nivel.
- Decir que el átomo «quiere» o «necesita» electrones. Recuerde la pelota en el valle: la situación final es de menor energía; pida reformular la frase con «es más estable».
- Confundir los electrones que tiene con los que le faltan (decir que al flúor le faltan 7). Pida dos columnas, «tiene» y «le falta», y que comprueben que suman ocho.
Tarea sugerida
Para el litio (Z = 3), el berilio (Z = 4), el flúor (Z = 9), el magnesio (Z = 12) y el azufre (Z = 16), escribir la suma por niveles, los electrones de valencia y si les resulta más corto ceder o recibir electrones para llenar su último nivel.