Electrones de valencia y comportamiento químico
Lo que vas a aprender
- Enunciar la regla del octeto y relacionarla con la configuración de los gases nobles.
- Predecir el ion que forman los elementos de los grupos 1, 2, 16 y 17, y calcular su carga y su número de electrones.
- Dibujar la estructura de Lewis de un átomo a partir de sus electrones de valencia.
- Explicar con las cargas de los iones por qué dos elementos se combinan en cierta proporción.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
La sal de cocina está hecha de sodio y cloro, siempre uno a uno. El cloruro de magnesio, en cambio, lleva dos cloros por cada magnesio. ¿Quién decide esas proporciones? No es una receta que haya que memorizar: la deciden los electrones de valencia de cada elemento.
En esta lección vas a ver que la configuración electrónica permite predecir si un átomo tiende a perder o a ganar electrones, cuántos y con qué carga queda. Con eso se entiende por qué ciertos elementos se combinan y en qué proporción: es la puerta de entrada al enlace químico, que estudiarás en la próxima unidad.
Antes de empezar recuerda que la carga de un ion es la diferencia entre sus protones y sus electrones, y que un catión es positivo y un anión es negativo.
Explicación
La estabilidad de los gases nobles
Los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón…) casi no forman compuestos. Si miras sus configuraciones, todos terminan con los subniveles s y p de su último nivel llenos: el neón termina en 2s² 2p⁶, el argón en 3s² 3p⁶. Es decir, tienen ocho electrones de valencia. El helio es el caso especial: su único nivel admite solo dos electrones, y los tiene.
Esa configuración es muy estable. Los demás átomos, al unirse, tienden a quedar con una configuración como la de un gas noble. De ahí sale la regla del octeto: los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta tener ocho en su último nivel. Los átomos muy pequeños, como el hidrógeno y el litio, buscan quedar con dos, como el helio.
La regla del octeto es una guía, no una ley: hay moléculas que no la cumplen, y los metales de transición tienen comportamientos más variados. Pero para los elementos de los grupos 1, 2, 16 y 17 funciona muy bien.
Perder o ganar: depende de cuántos tienes
Un átomo con pocos electrones de valencia llega antes a una configuración de gas noble perdiendo esos pocos que ganando muchos. Un átomo al que le faltan pocos para ocho llega antes ganando los que le faltan.
- Grupo 1 (un electrón de valencia): pierde 1 y queda como catión de carga 1+. El sodio forma Na⁺.
- Grupo 2 (dos electrones de valencia): pierde 2 y queda como catión de carga 2+. El magnesio forma Mg²⁺.
- Grupo 16 (seis electrones de valencia): gana 2 y queda como anión de carga 2−. El oxígeno forma O²⁻.
- Grupo 17 (siete electrones de valencia): gana 1 y queda como anión de carga 1−. El cloro forma Cl⁻.
Esto encaja con la lección anterior. Los metales de los grupos 1 y 2 tienen baja energía de ionización: sueltan sus electrones de valencia con facilidad. Los no metales de los grupos 16 y 17 tienen alta electronegatividad: atraen electrones con fuerza.
Cuando un átomo pierde sus electrones de valencia, desaparece su último nivel y el ion queda con la configuración del gas noble anterior. Cuando gana electrones, completa su nivel y queda con la del gas noble siguiente, al final de su mismo periodo. Por eso Na⁺, Mg²⁺, O²⁻ y F⁻ tienen todos 10 electrones, como el neón: son isoelectrónicos con él.
La carga se calcula
Lo que cambia al formarse un ion son los electrones; los protones del núcleo siguen siendo los mismos, y por eso el elemento no cambia. La carga del ion es:
$$\text{carga} = \text{protones} - \text{electrones}$$
Si sobran protones la carga es positiva (catión), y si sobran electrones es negativa (anión).
La estructura de Lewis de un átomo
Para representar los electrones de valencia de un átomo se usa la estructura de Lewis: se escribe el símbolo del elemento y alrededor se pone un punto por cada electrón de valencia. Los puntos se reparten en los cuatro lados del símbolo (arriba, abajo, a la izquierda y a la derecha): primero uno en cada lado y, si hay más de cuatro, se van formando parejas.
Así, el sodio lleva un punto, el magnesio dos, el nitrógeno cinco y el cloro siete. Los puntos solos, sin pareja, son los electrones que el átomo puede compartir o intercambiar al unirse con otros; los verás protagonizar el enlace covalente.
En un ion, la estructura de Lewis cambia: el ion Na⁺ se escribe sin puntos, porque perdió su electrón de valencia, y el ion Cl⁻ se escribe con ocho puntos entre corchetes y su carga.
De los iones a los compuestos
Un compuesto formado por iones es neutro: las cargas positivas y negativas se compensan. El sodio da un electrón y el cloro recibe uno, así que se combinan uno a uno y forman NaCl. El magnesio da dos electrones, pero cada cloro solo recibe uno: hacen falta dos cloros por cada magnesio, y el compuesto es MgCl₂. Así es como la distribución de los electrones decide qué compuestos se forman.
Estructuras de Lewis del sodio, el magnesio, el nitrógeno, el oxígeno, el cloro y el neón. Cada punto es un electrón de valencia; el neón ya tiene su octeto.
Ejemplo resuelto
El ion del sodio
El sodio tiene Z = 11. ¿Qué ion forma, cuántos electrones tiene y a qué gas noble se parece?
Ver la solución paso a paso
En la tabla periódica, el sodio tiene Z = 11:
$$Z(\mathrm{Na}) = 11$$
Su configuración es 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Comprobamos la suma:
$$2 + 2 + 6 + 1 = 11$$
Tiene 1 electrón de valencia (3s¹). Le es más fácil perder ese uno que ganar siete, así que lo pierde y queda con:
$$11 - 1 = 10$$
Los protones siguen siendo 11. La carga del ion es protones menos electrones:
$$11 - 10 = 1$$
Queda el catión Na⁺, con configuración 1s² 2s² 2p⁶: la misma del neón, que tiene 10 electrones. El nivel 2 tiene ahora su octeto.
Respuesta: Na⁺, con 10 electrones, isoelectrónico con el neón.
Ejemplo resuelto
El ion del oxígeno
El oxígeno tiene Z = 8. ¿Qué ion forma y cuántos electrones tiene?
Ver la solución paso a paso
En la tabla periódica, el oxígeno tiene Z = 8:
$$Z(\mathrm{O}) = 8$$
Su configuración es 1s² 2s² 2p⁴:
$$2 + 2 + 4 = 8$$
Sus electrones de valencia son los del nivel 2:
$$2 + 4 = 6$$
Le faltan 2 para el octeto, así que gana 2 electrones:
$$8 + 2 = 10$$
Con 8 protones y 10 electrones, la carga es:
$$8 - 10 = -2$$
Queda el anión O²⁻ (óxido), con 10 electrones, como el neón.
Respuesta: O²⁻, con 10 electrones.
Toca cada ion. Na⁺ y Mg²⁺ perdieron los electrones de su último nivel; O²⁻ y Cl⁻ ganaron los que les faltaban. Los cuatro quedan con 8 electrones en la última capa: Na⁺, Mg²⁺ y O²⁻ con 10, como el neón, y Cl⁻ con 18, como el argón.
Ejemplo resuelto
Magnesio y cloro, en qué proporción
El magnesio (Z = 12) y el cloro (Z = 17) forman un compuesto de iones. ¿Cuántos cloros hay por cada magnesio?
Ver la solución paso a paso
Los números atómicos son los de la tabla periódica:
$$Z(\mathrm{Mg}) = 12$$
$$Z(\mathrm{Cl}) = 17$$
El magnesio tiene 2 electrones de valencia (… 3s²) y los pierde:
$$2 + 8 + 2 = 12$$
Queda con 10 electrones y carga positiva de 2: es Mg²⁺.
$$12 - 10 = 2$$
El cloro tiene 7 electrones de valencia (… 3s² 3p⁵) y gana 1:
$$2 + 8 + 7 = 17$$
Queda con 18 electrones y carga de −1: es Cl⁻.
$$17 - 18 = -1$$
El compuesto tiene que ser neutro. Con dos iones Cl⁻ por cada Mg²⁺ las cargas se compensan:
$$2 + 2 \cdot \left(-1\right) = 0$$
Por eso la fórmula es MgCl₂: dos átomos de cloro por cada magnesio.
$$\text{átomos de Cl en }\mathrm{MgCl_{2}} = 2$$
Respuesta: Dos cloros por cada magnesio: MgCl₂.
Ejemplo resuelto
La estructura de Lewis del nitrógeno
El nitrógeno tiene Z = 7. Dibuja su estructura de Lewis.
Ver la solución paso a paso
En la tabla periódica, el nitrógeno tiene Z = 7:
$$Z(\mathrm{N}) = 7$$
Su configuración es 1s² 2s² 2p³:
$$2 + 2 + 3 = 7$$
Los electrones de valencia son los del nivel 2:
$$2 + 3 = 5$$
Escribimos N y ponemos un punto en cada lado (van cuatro). El quinto forma pareja con uno de ellos: queda un par y tres puntos solos, como en la figura.
Respuesta: N con cinco puntos alrededor: un par y tres puntos solos.
Práctica
El magnesio tiene Z = 12. ¿Cuántos electrones tiene el ion Mg²⁺?
El ion Mg²⁺ perdió sus 2 electrones de valencia: 12 − 2 = 10. Tiene la configuración del neón.
El azufre tiene Z = 16. ¿Cuántos electrones tiene el ion S²⁻?
El azufre, del grupo 16, gana 2 electrones para completar el octeto: 16 + 2 = 18, como el argón.
El calcio tiene Z = 20 y está en el grupo 2. ¿Qué carga tiene el ion que forma?
El calcio pierde sus 2 electrones de valencia y queda con 20 − 2 = 18. La carga es 20 − 18 = +2: es el ion Ca²⁺. Ganar 6 para llegar a ocho le costaría mucho más.
El potasio tiene Z = 19 y está en el grupo 1. ¿Qué carga tiene el ion que forma? Escribe el número con su signo.
El potasio pierde su único electrón de valencia (4s¹): 19 protones y 18 electrones dan carga +1. Es el ion K⁺.
El bromo tiene Z = 35 y está en el grupo 17. ¿Qué carga tiene el ion que forma? Escribe el signo.
En el grupo 17 hay 17 − 10 = 7 electrones de valencia; al bromo le falta 1 para ocho. Gana 1 y queda con 36 electrones y 35 protones: carga −1, el ion Br⁻.
El cloro tiene Z = 17. ¿Cuál es el número atómico del gas noble que tiene tantos electrones como el ion Cl⁻?
El ion Cl⁻ ganó un electrón: tiene 17 + 1 = 18, como el argón (Z = 18), el gas noble al final del periodo 3.
¿Verdadero o falso? El flúor tiene Z = 9, y el ion F⁻ tiene tantos electrones como el neón, que tiene Z = 10.
El flúor gana un electrón y queda con 9 + 1 = 10, como el neón. F⁻ y Ne son isoelectrónicos.
¿Verdadero o falso? El sodio tiene Z = 11, así que el ion Na⁺ también tiene 11 electrones.
Lo que se conserva son los 11 protones. El ion Na⁺ perdió un electrón y tiene 11 − 1 = 10; por eso su carga es positiva.
El carbono tiene Z = 6. ¿Cuántos puntos lleva su estructura de Lewis?
Su configuración es 1s² 2s² 2p². Los 2 del nivel 1 son internos; en el nivel 2 hay 6 − 2 = 4 electrones de valencia, y cada uno es un punto, uno en cada lado del símbolo.
¿Cuántos iones Cl⁻ hacen falta para compensar la carga de un ion Ca²⁺?
Cada Cl⁻ aporta una carga negativa y el Ca²⁺ tiene dos positivas. Con dos cloruros el compuesto queda neutro: CaCl₂.
¿Por qué el sodio pierde un electrón en vez de ganar siete para completar el octeto?
El sodio tiene baja energía de ionización: su electrón 3s¹ está lejos del núcleo y tapado por 10 electrones internos. Perderlo lo deja con el octeto del nivel 2. Los protones no cambian, y los metales tienden a perder electrones, no a ganarlos.
Reto
¿Catión o anión?
Cada tarjeta es protones − electrones de un ion. Si el resultado es positivo, es un catión; si es negativo, un anión.
Reto
Une cada grupo con lo que hacen sus átomos.
Piensa en cuántos electrones de valencia tiene cada grupo y en cuál es el camino más corto hacia ocho.
Reto
Encuentra las palabras de la lección.
Busca en la sopa las seis palabras; no llevan tildes.
Cierre
En resumen
Los gases nobles tienen ocho electrones en su último nivel (el helio, dos) y casi no forman compuestos.
La regla del octeto dice que los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta tener ocho en su último nivel; es una guía con excepciones.
Los grupos 1 y 2 pierden 1 y 2 electrones (iones 1+ y 2+); los grupos 16 y 17 ganan 2 y 1 (iones 2− y 1−).
La carga de un ion es protones menos electrones; los protones no cambian.
La estructura de Lewis de un átomo lleva un punto por electrón de valencia, y las cargas de los iones deciden en qué proporción se combinan.
Vocabulario
- Regla del octeto
Tendencia de los átomos a ganar, perder o compartir electrones hasta quedar con ocho en su último nivel, como un gas noble.
- Catión
Ion con carga positiva. Se forma cuando un átomo pierde electrones.
- Anión
Ion con carga negativa. Se forma cuando un átomo gana electrones.
- Estructura de Lewis
Representación de un átomo con su símbolo rodeado de un punto por cada electrón de valencia.
- Isoelectrónicos
Átomos o iones que tienen el mismo número de electrones, como el ion Na⁺ y el neón.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre las fórmulas NaCl y MgCl₂ y pregunte por qué una lleva un cloro y la otra dos. Deje la pregunta abierta hasta el final.
- Explicación · 20 min — Configuración de los gases nobles y regla del octeto; resuelva en el tablero el sodio y el oxígeno, calculando siempre la carga como protones menos electrones. Dibuje las estructuras de Lewis de la figura con los estudiantes.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas; las cestas y el dominó se pueden proyectar. Pida que en cada ion escriban primero los protones y los electrones antes de dar la carga.
- Cierre · 5 min — Vuelva a la pregunta del MgCl₂ y pida que la respondan con las cargas de los iones.
Preguntas para el salón
- Si un átomo pierde un electrón, ¿cambia de elemento? ¿Y si pierde un protón?
- Arrancarle el electrón a un átomo de sodio cuesta energía (la energía de ionización). Entonces, ¿por qué el sodio forma Na⁺ cuando se encuentra con el cloro? (La atracción entre los iones Na⁺ y Cl⁻ en el compuesto compensa ese costo.)
- ¿Qué ion esperan del potasio, que está debajo del sodio? ¿Y del yodo, debajo del cloro?
Errores típicos
- Pensar que un catión ganó protones o que un anión ganó carga negativa en el núcleo. Escriba en el tablero protones y electrones por separado para el átomo y para el ion, y muestre que solo cambia la segunda columna.
- Dar la carga con el signo al revés (Cl⁺ porque «ganó» un electrón). Pida calcular siempre protones menos electrones: si hay más electrones, el resultado es negativo.
- Poner en la estructura de Lewis todos los electrones del átomo y no solo los de valencia. Pida escribir primero la configuración y encerrar en un círculo el último nivel; solo esos electrones son puntos.
Tarea sugerida
Para el litio (Z = 3), el calcio (Z = 20), el azufre (Z = 16) y el yodo (Z = 53, grupo 17), escribir el ion que forman, su número de electrones y el gas noble con el que son isoelectrónicos, y dibujar la estructura de Lewis de cada átomo.