Una nube de electrones es la región de carga negativa que rodea un núcleo atómico que está asociado con un orbital atómico. Se define matemáticamente, describiendo una región con una alta probabilidad de contener electrones.
La frase "nube de electrones" se utilizó por primera vez alrededor de 1925, cuando Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg buscaban una forma de describir la incertidumbre de la posición de los electrones en un átomo.
Modelo de nube de electrones
El modelo de nube de electrones difiere del modelo de Bohr más simple , en el que los electrones orbitan alrededor del núcleo de la misma manera que los planetas giran alrededor del sol. En el modelo de nube, hay regiones donde es probable que se encuentre un electrón, pero teóricamente es posible que esté ubicado en cualquier lugar, incluso dentro del núcleo .
Los químicos usan el modelo de nube de electrones para mapear los orbitales atómicos de los electrones; estos mapas de probabilidad no son todos esféricos. Sus formas ayudan a predecir las tendencias que se ven en la tabla periódica.
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| La nube de electrones es la ubicación alrededor del núcleo que contiene electrones cargados negativamente. |
Esta imagen representa un átomo de helio a nivel atómico. En el centro está el núcleo, que consta de dos protones y dos neutrones. Es muy pequeño, sólo una milmillonésima de milímetro. Rodeando al núcleo está la nube de electrones, una forma esférica que se extiende en las tres dimensiones desde el núcleo.
La nube de electrones es una nube de probabilidad que rodea el núcleo en un átomo donde uno tiene la mayor probabilidad de encontrar un electrón.
Notarás que la nube de electrones no tiene un color uniforme; es más oscuro en el núcleo y gradualmente se vuelve más claro a medida que te alejas. Este gradiente de color se basa en la probabilidad de electrones, la probabilidad de encontrar un electrón en un lugar determinado. En términos generales, las posibilidades de encontrar un electrón disminuyen a medida que te alejas del núcleo.
Estas regiones densas se conocen como "orbitales de electrones", ya que son la ubicación más probable donde se encontrará un electrón en órbita. Al extender este modelo de "nube" a un espacio tridimensional, vemos un átomo con forma de barra o de flor (como en la imagen de arriba). Aquí, las regiones de ramificación son aquellas en las que es más probable que encontremos los electrones.
Teoría
Desde que John Dalton dio vida al modelo atómico a principios del siglo XIX, los científicos han estado trabajando para comprender las complejidades de la estructura atómica. A mediados de la década de 1920, la investigación que respaldaba el modelo de nube de electrones comenzó a ganar impulso cuando la física clásica no pudo explicar fenómenos tales como cómo los electrones aparentemente podrían estar en todas partes a la vez, o por qué los electrones no chocaban contra el núcleo cuando ganaban o perdían energía.
Las investigaciones realizadas por Max Planck, Albert Einstein y Niels Bohr revelaron algunas propiedades inesperadas de la luz y la energía: la luz se compone de paquetes discretos de energía llamados cuantos, y la energía se comporta como una partícula y una onda. Los electrones son transmisores de energía, por lo que sus propiedades están inextricablemente unidas a las de la luz y la energía. El comportamiento de la energía y los electrones a nivel atómico se denominó mecánica cuántica por la unidad más pequeña de energía, un cuanto.
En años posteriores, los físicos Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg y Louis de Broglie fueron pioneros en los esfuerzos por comprender y describir el comportamiento de los electrones. Werner Heisenberg demostró en el principio de incertidumbre de Heisenberg que es imposible conocer la ubicación y la velocidad de un electrón al mismo tiempo. Sobre la base de la teoría de Broglie de que la materia podría exhibir propiedades ondulatorias, Schrödinger desarrolló el concepto de una función de onda, una función que proporciona ubicaciones probables para un electrón dada la energía total del electrón. Cuando se compilan, los datos de las ecuaciones de Schrödinger se pueden usar para crear un diagrama de probabilidad de electrones, o la nube de electrones, para un átomo específico.
¿Una nube de electrones tiene masa?
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| Un núcleo rodeado por una nube de probabilidad de electrones. |
Hemos establecido que un electrón no es una esfera perfecta que gira alrededor del núcleo, sino una región de probabilidad densa y nublada. Entonces, ¿ cómo podemos determinar su masa? ¿Una nube de electrones tiene masa? Los libros de texto de ciencias en todas partes ilustran con confianza en letras grandes y en negrita que un electrón tiene una masa de 9.11 X 10 – 31 kg . Esto es cierto.
Sin embargo, esto plantea la pregunta: ¿ toda la nube pesa 9,11 X 10 – 31 kg ? Sí. ¿Qué pasa con una parte de la nube? ¿Puede una parte de la nube tener una masa menor que el electrón? Realmente no.
Las cosas se ponen un poco más nebulosas a partir de aquí. Digamos que tienes una cuchara pequeña. Tomas esa cuchara y la sumerges en el 25% del área de la nube de electrones. ¿Contiene entonces su cuchara un peso igual al 25% de 9,11 X 10 – 31 kg ? No. Cuando su cuchara contiene el 25% de la nube de electrones, su cuchara posee un 25% de posibilidades de contener la masa de electrones de 9.11 X 10 – 31 kg . Puedes poseer todo el electrón o nada de él. A pesar de estar representado por una nube, no se puede dividir en parciales, ya que la nube no es física. Una nube es simplemente la mejor manera de ilustrar el verdadero estado de un electrón.
Por supuesto, esta ha sido una explicación muy simplificada de una nube de electrones. El complejo mundo de la mecánica cuántica representa matemáticamente la nube de electrones como una función de onda cuántica gobernada por probabilidades. Sin embargo, tales matemáticas parecen estar fuera del alcance de este artículo. Mi objetivo aquí fue simplemente ayudarlo a visualizar el "electrón" por lo que realmente es.
Entonces , la próxima vez que alguien le pida que piense en un átomo, no evoque esa imagen obsoleta e inexacta de electrones que giran alrededor de un núcleo central. ¡ Piense en la nube de electrones en su lugar!
