electrón de valencia

En química y física , los electrones de valencia son los electrones de la capa más externa de un átomo y pueden participar en la formación de un enlace químico si dicha capa no está cerrada . En un enlace covalente simple , se forma un par compartido, donde ambos átomos contribuyen con un electrón de valencia cada uno.

La presencia de electrones de valencia determina las propiedades químicas de un elemento , como su valencia : si puede enlazarse con otros elementos y, de ser así, con qué facilidad y con cuántos. De este modo, la reactividad de un elemento depende en gran medida de su configuración electrónica . En un elemento del grupo principal , un electrón de valencia solo puede encontrarse en la capa electrónica más externa ; en un metal de transición , también puede estar en una capa interna.

Un átomo con una capa completa de electrones de valencia (correspondiente a la configuración de un gas noble ) tiende a ser químicamente inerte . Los átomos con uno o dos electrones de valencia más que una capa completa son altamente reactivos debido a la energía relativamente baja necesaria para eliminar los electrones de valencia adicionales y formar un ion positivo . Un átomo con uno o dos electrones menos que una capa completa es reactivo debido a su tendencia a ganar los electrones de valencia faltantes y formar un ion negativo, o bien a compartir electrones de valencia y formar un enlace covalente.

Al igual que un electrón interno , un electrón de valencia tiene la capacidad de absorber o liberar energía en forma de fotón . Una ganancia de energía puede provocar que el electrón se mueva (salte) a una capa externa; esto se conoce como excitación atómica . O bien, el electrón puede incluso liberarse de la capa de su átomo asociado; esto se denomina ionización y da lugar a un ion positivo. Cuando un electrón pierde energía (lo que provoca la emisión de un fotón), puede moverse a una capa interna que no esté completamente ocupada.

La capa de valencia es el conjunto de orbitales que son energéticamente accesibles para aceptar electrones y formar enlaces químicos .

Para los elementos del grupo principal, la capa de valencia consta de los orbitales n s y n p en la capa electrónica más externa . Para los metales de transición , se incluyen los orbitales de la subcapa incompleta ( n −1)d, y para los lantánidos y actínidos, las subcapas incompletas ( n −2)f y ( n −1)d. Los orbitales involucrados pueden estar en una capa electrónica interna y no todos corresponden a la misma capa electrónica o número cuántico principal n en un elemento dado, pero todos tienen energías similares. ^{[ 5 ]}

Por regla general, un elemento del grupo principal (excepto el hidrógeno o el helio) tiende a reaccionar para formar una configuración electrónica ^2p⁶ . Esta tendencia se conoce como la regla del octeto , ya que cada átomo enlazado tiene 8 electrones ^{de valencia ,} incluyendo los electrones compartidos. De manera similar, un metal de transición tiende a reaccionar para formar una configuración electrónica ^10s²2p⁶ . Esta tendencia se conoce como la regla de los 18 electrones , ya que cada átomo enlazado tiene 18 electrones de valencia, incluyendo los electrones compartidos ^.

Los elementos pesados ​​del grupo 2, calcio, estroncio y bario, también pueden usar la subcapa ( n −1)d, lo que les confiere algunas similitudes con los metales de transición. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

El número de electrones de valencia en un átomo determina su comportamiento de enlace . Por lo tanto, los elementos cuyos átomos tienen el mismo número de electrones de valencia suelen agruparse en la tabla periódica , especialmente si también poseen el mismo tipo de orbitales de valencia. ^{[ 10 ]}

El tipo de elemento metálico más reactivo es un metal alcalino del grupo 1 (por ejemplo, sodio o potasio ). Esto se debe a que dicho átomo tiene solo un electrón de valencia. Durante la formación de un enlace iónico , que proporciona la energía de ionización necesaria , este electrón de valencia se pierde fácilmente para formar un ion positivo (catión) con una capa electrónica completa (por ejemplo, Na ⁺ o K ⁺ ). Un metal alcalinotérreo del grupo 2 (por ejemplo, magnesio ) es algo menos reactivo, porque cada átomo debe perder dos electrones de valencia para formar un ion positivo con una capa electrónica completa (por ejemplo, Mg2 ⁺ ).

Dentro de cada grupo (cada columna de la tabla periódica) de metales, la reactividad aumenta con cada fila inferior de la tabla (desde un elemento ligero a uno más pesado), porque un elemento más pesado tiene más capas electrónicas que un elemento más ligero. Los electrones de valencia de un elemento más pesado se encuentran en números cuánticos principales más altos (es decir, están más alejados del núcleo del átomo y, por lo tanto, tienen energías potenciales más altas, lo que significa que están menos fuertemente ligados).

Un átomo no metálico tiende a atraer electrones de valencia adicionales para alcanzar una capa de valencia completa. Esto puede lograrse de dos maneras: un átomo puede compartir electrones con un átomo vecino (un enlace covalente ) o puede sustraer electrones de otro átomo (un enlace iónico ). El tipo de elemento no metálico más reactivo es un halógeno (por ejemplo, flúor (F) o cloro ⁽ Cl)). Dicho átomo tiene la siguiente configuración electrónica: s²p⁵ ^; esto requiere solo un electrón de valencia adicional para formar una capa completa. Para formar un enlace iónico , un átomo de halógeno puede sustraer un electrón de otro átomo para formar un anión (por ejemplo, F⁻ ^, Cl⁻ ^, etc.). Para formar un enlace covalente, un electrón del halógeno y un electrón de otro átomo forman un par compartido (por ejemplo, en la molécula H–F, la línea representa un par compartido de electrones de valencia, uno de H y otro de F).

Dentro de cada grupo de no metales, la reactividad disminuye con cada fila inferior de la tabla periódica (desde un elemento ligero hasta uno pesado), debido a que los electrones de valencia se encuentran a energías progresivamente mayores y, por lo tanto, están menos fuertemente ligados. De hecho, el oxígeno (el elemento más ligero del grupo 16) es el no metal más reactivo después del flúor, a pesar de no ser un halógeno, porque las capas de valencia de los halógenos más pesados ​​tienen números cuánticos principales más altos.

En estos casos sencillos donde se cumple la regla del octeto, la valencia de un átomo es igual al número de electrones ganados, perdidos o compartidos para formar el octeto estable. Sin embargo, también existen muchas moléculas que constituyen excepciones y para las cuales la valencia está menos claramente definida.

Los electrones de valencia también son responsables de los enlaces en los elementos químicos puros, y de si su conductividad eléctrica es característica de los metales, los semiconductores o los aislantes.

Los elementos metálicos generalmente presentan una alta conductividad eléctrica en estado sólido . En cada fila de la tabla periódica , los metales se ubican a la izquierda de los no metales, por lo que un metal tiene menos electrones de valencia posibles que un no metal. Sin embargo, un electrón de valencia de un átomo metálico posee una energía de ionización baja , y en estado sólido, este electrón tiene relativa libertad para abandonar un átomo y unirse a otro cercano. Esta situación caracteriza el enlace metálico . Dicho electrón "libre" puede moverse bajo la influencia de un campo eléctrico , y su movimiento constituye una corriente eléctrica ; esta corriente es responsable de la conductividad eléctrica del metal. El cobre , el aluminio , la plata y el oro son ejemplos de buenos conductores.

Un elemento no metálico tiene baja conductividad eléctrica; actúa como aislante . Este tipo de elemento se encuentra hacia la derecha de la tabla periódica y tiene una capa de valencia al menos medio llena (la excepción es el boro ). Su energía de ionización es alta; un electrón no puede abandonar fácilmente un átomo cuando se aplica un campo eléctrico, por lo que este elemento solo puede conducir corrientes eléctricas muy pequeñas. Ejemplos de aislantes elementales sólidos son el diamante (un alótropo del carbono ) y el azufre . Estos forman estructuras con enlaces covalentes, ya sea con enlaces covalentes que se extienden por toda la estructura (como en el diamante) o con moléculas individuales covalentes débilmente atraídas entre sí por fuerzas intermoleculares (como en el azufre). (Los gases nobles permanecen como átomos individuales, pero también experimentan fuerzas de atracción intermoleculares, que se vuelven más fuertes a medida que se desciende en el grupo: el helio hierve a -269  °C, mientras que el radón hierve a -61,7  °C).

Un compuesto sólido que contiene metales también puede ser un aislante si los electrones de valencia de los átomos metálicos se utilizan para formar enlaces iónicos . Por ejemplo, aunque el sodio elemental es un metal, el cloruro de sodio sólido es un aislante, porque el electrón de valencia del sodio se transfiere al cloro para formar un enlace iónico, y por lo tanto ese electrón no se puede mover fácilmente.

Un semiconductor posee una conductividad eléctrica intermedia entre la de un metal y la de un no metal; además, se diferencia de un metal en que su conductividad aumenta con la temperatura . Los semiconductores elementales típicos son el silicio y el germanio , cada átomo con cuatro electrones de valencia. Las propiedades de los semiconductores se explican mejor mediante la teoría de bandas , como consecuencia de una pequeña brecha de energía entre la banda de valencia (que contiene los electrones de valencia a temperatura cero absoluta) y la banda de conducción (a la que los electrones de valencia se excitan por la energía térmica).

1. Francis, Eden. Electrones de valencia .