¿Por qué los átomos tienden a tener 8 electrones de valencia?

Answer 1

Es una consecuencia de las funciones propias degeneradas de la ecuación de onda de Schrodinger para el átomo de hidrógeno.

Bien, retrocedamos un poco.

La ecuación de onda de Schrodinger es una ecuación diferencial parcial que nos permite resolver la función de onda de cualquier partícula / objeto / cosa-y (en este caso, un electrón). Incluye un término para energía cinética y un término para energía potencial, que se resumen para encontrar la energía total de la partícula. En resumen, es una reexpresión de la conservación de la energía.

La parte de energía potencial es típicamente lo que determina las soluciones para un caso particular, ya que ese es el único término que realmente varía. En el caso de un átomo de hidrógeno, tratamos el “potencial de culombio”, que proviene de la ley de Coulomb en materia de electrostática. Esta es una simplificación bruta de la situación real en un átomo, pero todavía da respuestas aproximadas decentes.

Cuando resolvemos la ecuación de onda, normalmente buscamos estados estacionarios , que son esencialmente funciones de onda que tienen energía bien definida. (Recuerde, en mecánica cuántica, no hay cantidades necesariamente bien definidas. ¡Piense en el Principio de Incertidumbre de Heisenburg!) Estos estados estacionarios también se conocen como funciones propias del Hamiltoniano , el “Hamiltoniano” es el operador de energía total en el sistema. La razón de esta terminología se debe a álgebra lineal. Si toma el operador hamiltoniano y lo utiliza en la función de onda, el resultado será la función de onda multiplicada por una constante. ¡Esta constante es la energía de tu partícula!

Ahora, en el caso del hamiltoniano del átomo de hidrógeno, hay múltiples funciones de onda que realmente dan la misma energía. Estos son tus orbitales. El número de orbitales varía con la energía, que está determinada por el número cuántico “n”. Si n es 1, obtienes un orbital, si n es 2, obtienes cuatro orbitales, si n es 3, obtienes nueve orbitales, y así sucesivamente …

Por supuesto, esto no tiene en cuenta el giro electrónico.

El giro electrónico es en realidad un efecto relativista, que nuestra “simple” ecuación de Schrodinger no puede tener en cuenta. Proviene de la ecuación de Dirac , que, francamente, está muy por encima de mi conocimiento. Sin embargo, basta con saber que los electrones tienen dos estados de giro, giro hacia arriba y hacia abajo, lo que duplica el número de estados disponibles en cualquier nivel de energía. El principio de exclusión de Pauli , que mencionó, establece que los fermiones (los electrones son un ejemplo específico de fermiones) no pueden compartir estados. ¡Entonces cada estado corresponde a un electrón!

Para n = 1, obtenemos dos estados, ¡lo que debería tener sentido! Se necesitan dos electrones para llenar la primera capa de valencia.

Para n = 2, obtenemos ocho estados. Una vez más, esto es bueno! Esto se ajusta a la regla de octeto que ha descrito.

Para n = 3, obtenemos … uh … dieciocho estados.

Resulta que la simplificación de la que hablé antes comienza a importar una vez que las energías aumentan. Estos nuevos orbitales (d, en este caso), tienen mayor momento angular que hace que las cosas sean un poco raras. Si tiene en cuenta algunos efectos complementarios (como la relatividad y el acoplamiento de órbita de espín), obtendrá una división fina e hiperfina . En realidad, esto hace que los orbitales del mismo nivel de energía ya no se degeneren del todo. Lo que sucede es que los orbitales d en n = 3 se convierten en una energía MÁS ALTA que los orbitales s en n = 4. Esta es la razón por la que obtiene todos esos molestos metales de transición en la tabla periódica.

En cualquier caso, en n = 3, nos lleva ocho estados para llegar al siguiente gas noble, que sigue la regla del octeto.

Para n> 3, la regla del octeto se descompone. Por supuesto, depende de la definición de electrones de valencia (a veces las personas simplemente omiten los electrones orbitales d y f), pero comienzas a necesitar 18 o más electrones para alcanzar el próximo gas noble. Dicho esto, normalmente es una simplificación de una situación mucho más complicada para que no tenga que entrar en la mecánica cuántica y la relatividad especial. E incluso con todo eso, hay factores que no mencioné, como el hecho de que la mayoría de los átomos ni siquiera son como el hidrógeno. Obtienes blindaje eléctrico debido a todos los electrones, o a los electrones que se repelen entre sí. Todos estos son efectos que no se toman en cuenta realmente, y son realmente, realmente difíciles de tomar en cuenta. Créeme. Las ecuaciones diferenciales parciales son difíciles.

tl; dr: Por lo general, alrededor de ocho soluciones de la ecuación de Schrodinger tienen energías equivalentes.

Answer 2

Su pregunta hace referencia a 8 valent elèctròns en lugar de 8 de cualquier elèctròns en un shell. No hay, por lo general. Es decir, hay compuestos como el permanganato o el pertungstate con un estado de oxidación de +7 o +6, pero una octava +8 como el tetróxido de osmio es bastante rara.

“estado de oxidación de 8”

Es Octavalente Pu (VIII) Posible? Mapeo de la serie de oxifluoruro de plutonio PuOnF8-2n (n = 0-4)

Estado de oxidación – Wikipedia

Se informa que el estado de oxidación más alto conocido es +9 en el catión de tetróxido de iridio ([math] \ text {IrO} ^ + _ 4 [/ math])

Cuando los orbitales se llenan, los del exterior son las conchas s y p; los lóbulos p ocupan cada extremo de las tres dimensiones, de modo que junto con las cargas s que pueden alinearse en cualquier lugar pueden unirse favorablemente con otros átomos y más profundamente que los enlaces metálicos que, por otro lado, pueden colocar otros 12 átomos alrededor de cada átomo. Los otros bloques se encuentran más profundamente en el átomo, por lo que generalmente no pueden unirse con otros átomos. Para los metales de transición después del grupo a mitad de camino, hay subshells duplicados con cargas que podrían extraerse, pero por lo general no hay espacio para caber tantos aniones.

Hay 8 vértices en un cubo; Los cubos son las celdas más fáciles de fabricar, ya sea con bolas básicas o compuestas, y existen como cuatro tipos de cubos (simples, centrados en el cuerpo, centrados en la cara, intersticiales) y, entre ellos, los más compuestos encajan fácilmente, supongo.

Answer 3

Dos de estas respuestas están relacionadas. Uno es independiente.

La ecuación de Schrödinger describe los electrones como un tipo de onda. Este comportamiento de onda significa que los electrones forman ondas estacionarias en un medio con límites:

Ondas estacionarias sobre cuerdas

Desde la comprensión de las ondas estacionarias en las cuerdas, puede ver cómo emergen los números cuánticos. Solo hay ciertas longitudes de onda que pueden caber a lo largo de una cuerda fija en los extremos y estas pueden ser numeradas. La longitud de onda más grande es n = 1 y la segunda longitud de onda más grande es n = 2 y así sucesivamente.

Alrededor de un núcleo, los electrones forman ondas esféricas. Las ondas esféricas son un poco difíciles de imaginar, por lo que esto podría ayudarte a tener una idea:

El número cuántico n da su perfil radial. Hay otros dos números cuánticos, l y m , que dan su perfil en longitud y latitud. Puedes tener una idea de cómo tienen forma estas ondas:

Por Inigo.quilez (Trabajo propio) CC BY-SA 3.0

Cuando las personas hablan de orbitales “s”, se refieren a los que tienen un perfil de latitud y longitud uniforme, como la esfera azul en la parte superior de la figura de arriba. Los orbitales “p” son las tres imágenes con dos lóbulos en la segunda fila. Los orbitales “s” tienen números cuánticos n = 1, 2, 3 … y l = 0. Los orbitales “p” tienen números cuánticos n = 2,3,4 … y l = 1. Hay tres versiones del orbital “p”, m = -1, m = 0 y m = 1, que dan lóbulos que están orientados a lo largo de los tres ejes diferentes.

El principio de exclusión de Pauli es un tema independiente. Si los electrones no fueran fermiones, sino bosones, entonces la química no sería muy interesante. A temperatura ambiente, la mayoría de los electrones caerían al estado de menor energía, por lo que la mayoría estaría en el estado aburrido n = 1, l = 0 y todos los elementos químicos tendrían esencialmente el mismo comportamiento. Sin embargo, los electrones son fermiones, que están sujetos al Principio de Exclusión de Pauli, que dice que no hay dos electrones que puedan tener el mismo conjunto de números cuánticos. Entonces, el helio llena los estados n = 1, l = 0. Para el litio, debemos comenzar a llenar los estados n = 2, l = 0 y para el boro, debemos llenar los estados n = 2, l = 1.

¿De dónde viene el número 8? Puede ver que hay un s-orbital y 3 p-orbitales en la imagen de arriba. Hay dos valores posibles para el giro electrónico, lo que da un cuarto número cuántico m_s = –1/2 y m_s = +1/2. Así que cada “s-orbital” puede contener dos electrones y cada “p-orbital” puede contener seis. 2 + 6 = 8.

Así que la Exclusión de Pauli dice que cada electrón debe tener un conjunto único de ( n , l , m , m_s ). El estado de energía más bajo del hidrógeno es (1,0,0, + 1/2 ) (en realidad, m_s podría ser +1/2 o –1/2, las energías son las mismas). El estado de menor energía del helio tiene dos electrones, uno con (1,0,0, –1 / 2) y otro con (1,0,0, + 1/2). El estado de menor energía del litio tiene (1,0,0, + 1/2), (1,0,0, –1 / 2), (2,0,0, + 1/2). El berilio es (1,0,0, + 1/2), (1,0,0, –1 / 2), (2,0,0, –1 / 2), y (2,0,0, + 1/2). El boro es (1,0,0, + 1/2), (1,0,0, –1 / 2), (2,0,0, –1 / 2), (2,0,0, + 1 / 2), y (2,1, + 1, + 1/2).

También hay orbitales con valores de l más grandes (orbitales d). La tercera fila en la imagen muestra los 5 estados. Esto explica por qué el bloque de metal de transición de la tabla periódica tiene 10 elementos (cuente desde escandio hasta zinc). ¿Cuántos elementos hay en el “bloque lantánido”?

Answer 4

Las tres explicaciones son consistentes.

Resolver las ecuaciones de Schrödingers le dará los orbitales s y p (y orbitales d y f, etc.). El principio de exclusión de Pauli dice que solo se permiten dos electrones en cada orbital / carcasa. Los electrones llenan las capas de la forma de energía más baja que no viola el principio de exclusión. Resulta que los niveles de energía de las conchas son tales que, para las conchas más bajas, hay cuatro conchas que están algo juntas y luego un salto a las siguientes cuatro conchas, etc. Así que ocho parece ser un número mágico. Para números atómicos más altos, esta imagen se vuelve más inexacta.

Answer 5

Parte de su confusión proviene del hecho de que se refiere a la misma cosa, pero confunde la teoría con los observables. No existe tal cosa como un electrón de valencia: en lo que respecta a los observables, sabemos que los átomos tienen electrones y que estos electrones se comportan de maneras muy cuantificadas. Pero no es como que un electrón de valencia tiene una característica especial: simplemente se asienta en su orbital cuantificado y bien definido hasta que se estimula en un orbital diferente o se transforma de alguna manera en el orbital. Sabemos que estos orbitales se comportan de una manera similar a la de Quantum porque (al menos para el hidrógeno) podemos resolver la ecuación de Schrodinger y comparar las transiciones entre orbitales en la teoría con las líneas de absorción y emisión medidas de hidrógeno y los resultados son absolutamente precisos. No podemos observar electrones directamente: observamos que se intercambian fotones entre los electrones de los átomos y nuestros globos oculares o un espectrógrafo. Por lo tanto, nunca estamos mirando directamente a “electrones de valencia” u “orbitales s” u “orbitales p”, ni hacemos un experimento donde intentamos meter tres electrones en un orbital para refutar a Pauli. Estas cosas no se pueden observar directamente: debemos confiar en que existen porque las matemáticas utilizadas para predecir la longitud de onda de los fotones liberados por los átomos lo hacen con una precisión impresionante, y no asume nada más que una sola ecuación matemática para hacerlo. Esa ecuación es la ecuación de Schrödinger, y de esa ecuación única se deriva toda la teoría cuántica moderna.

Las soluciones de esta ecuación para el átomo de hidrógeno y sus estados excitados son lo que comúnmente se ve impreso como orbitales S y P. Estos son los únicos orbitales que existen cerca del estado fundamental para la fila uno y la fila dos átomos, por lo que son los electrones de “valencia”. Hay una S y tres orbitales P porque hay distintos números cuánticos en la solución de la fila dos átomos (y estados excitados del átomo de hidrógeno, donde el electrón individual es estimulado de 1s a 2s o 2p), cada uno de los cuales puede tener uno de dos números cuánticos de espín, por lo que cuatro veces dos son ocho. Pero el hidrógeno solo tiene un orbital en el estado fundamental, por lo que solo tiene dos electrones de valencia, siempre.

Answer 6

Porque lo hacen. O tal vez simplemente no lo hacen, pero no pudimos encontrar un modelo mejor.

Vea, lo que la gente haga en la ciencia es tratar de responder la pregunta de “¿cómo?” Y no “¿Por qué?” Para poder explicar y quizás predecir el comportamiento de los átomos, electrones, etc., se han ofrecido varios modelos. . Trabajan la mayor parte del tiempo, pero no siempre y no siempre con la misma tasa de éxito. Es por eso que la gente de ciencia sigue trabajando en estas cosas. La dificultad radica en el hecho de que, en nuestro nivel de tecnología actual, no podemos observar directamente los electrones en sí mismos, sino otros fenómenos que nos dan pistas sobre cómo pueden comportarse en determinadas circunstancias. Quizás en el futuro, un avance tecnológico pueda revelar que todo lo que propusimos hasta ahora es completamente erróneo y se puede desarrollar un mejor modelo.

Entonces, si puede dar su consentimiento para tener la respuesta a la pregunta “¿Cómo?”, Esta página puede ayudarlo: Configuración electrónica – Wikipedia

Pero si insiste en la pregunta “¿Por qué?”, ​​Dudo que alguna vez pueda encontrar una respuesta científica a ella. Tal vez un filósofo pueda ayudar mejor, les encanta preguntar “¿Por qué?”

Answer 7

Puede consultar: ¿Por qué hacer 8 electrones en forma de cáscara estable ¿Por qué no 7-6-4-2?