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Física y Química 3.º ESO · Los electrones en capas y la formación de iones

Los electrones en capas: distribución 2, 8, 8

Objetivo: Al terminar, sabrás repartir en capas los electrones de los 20 primeros elementos, dibujar su diagrama de capas e indicar cuántos electrones tienen en la última capa.

Explicación

¿Cómo se colocan los electrones?

En el modelo de Rutherford los electrones giran alrededor del núcleo, pero no dice cómo se ordenan. En 1913, Niels Bohr propuso que los electrones se mueven en capas (o niveles de energía) situadas a distintas distancias del núcleo. La capa más cercana al núcleo es la 1.ª; después vienen la 2.ª, la 3.ª…

Cuántos electrones caben en cada capa

Para los 20 primeros elementos usaremos estas reglas:

Capa	1.ª	2.ª	3.ª	4.ª
Electrones como máximo	2	8	8	(empieza a llenarse a partir del potasio)

Cuenta los electrones: en un átomo neutro son $Z$ .
Llena primero la capa 1.ª (hasta 2), luego la 2.ª (hasta 8), luego la 3.ª (hasta 8) y el resto, a la 4.ª.

Así, el sodio ( $Z = 11$ ) tiene 2, 8, 1 y el calcio ( $Z = 20$ ), 2, 8, 8, 2. (En realidad la 3.ª capa admite más electrones; lo verás al estudiar la configuración electrónica.)

Diagrama de capas

Se dibuja el núcleo con su carga ( $11+$ para el sodio) y, alrededor, una circunferencia por cada capa con sus electrones:

núcleo $11+$ → 1.ª capa: 2 e⁻ → 2.ª capa: 8 e⁻ → 3.ª capa: 1 e⁻

La última capa es la que importa

Los electrones de la última capa (electrones de valencia) son los que intervienen en las reacciones químicas. Por eso:

Los elementos con el mismo número de electrones en la última capa tienen propiedades químicas parecidas: litio (2, 1), sodio (2, 8, 1) y potasio (2, 8, 8, 1) reaccionan de forma muy parecida.
Los átomos con la última capa completa (8 electrones, o 2 en el helio) son muy estables y casi no reaccionan: son los gases nobles (helio, neón, argón).

Distribución de los 20 primeros elementos:

$Z$	Elemento	Capas	$Z$	Elemento	Capas
1	H	1	11	Na	2, 8, 1
2	He	2	12	Mg	2, 8, 2
3	Li	2, 1	13	Al	2, 8, 3
4	Be	2, 2	14	Si	2, 8, 4
5	B	2, 3	15	P	2, 8, 5
6	C	2, 4	16	S	2, 8, 6
7	N	2, 5	17	Cl	2, 8, 7
8	O	2, 6	18	Ar	2, 8, 8
9	F	2, 7	19	K	2, 8, 8, 1
10	Ne	2, 8	20	Ca	2, 8, 8, 2

Puntos clave

Los electrones se colocan en capas alrededor del núcleo: la 1.ª es la más cercana.
Capacidad que usamos: 2 en la 1.ª capa, 8 en la 2.ª, 8 en la 3.ª; después, la 4.ª.
Un átomo neutro tiene $Z$ electrones: se reparten llenando primero las capas interiores.
Los electrones de la última capa determinan el comportamiento químico.
Mismo número de electrones en la última capa → propiedades químicas parecidas. Última capa completa → gas noble, muy estable.

Errores frecuentes

ErrorPoner 8 electrones en la primera capa (por ejemplo, oxígeno: 8).
Cómo corregirloLa 1.ª capa solo admite 2 electrones: oxígeno = 2, 6.
ErrorColocar en la 3.ª capa los electrones del potasio y del calcio (K: 2, 8, 9).
Cómo corregirloPara los 20 primeros elementos, la 3.ª capa se llena hasta 8 y el resto pasa a la 4.ª: K = 2, 8, 8, 1; Ca = 2, 8, 8, 2.
ErrorRepartir el número másico $A$ en lugar del número de electrones.
Cómo corregirloSe reparten los electrones, que en un átomo neutro son $Z$ (no $A$ ).

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Repartir electrones paso a paso numérico (distribución en capas)
Escribe la distribución de los electrones en capas de: a) oxígeno ( $Z = 8$ ); b) cloro ( $Z = 17$ ); c) calcio ( $Z = 20$ ). ¿Cuántos electrones tiene cada uno en la última capa?

Resolución
a) Oxígeno: 8 electrones. 1.ª capa: 2 (quedan 6); 2.ª capa: 6. → 2, 6. Última capa: 6.

b) Cloro: 17 electrones. 1.ª: 2 (quedan 15); 2.ª: 8 (quedan 7); 3.ª: 7. → 2, 8, 7. Última capa: 7.

c) Calcio: 20 electrones. 1.ª: 2 (quedan 18); 2.ª: 8 (quedan 10); 3.ª: 8 (quedan 2); 4.ª: 2. → 2, 8, 8, 2. Última capa: 2.

Comprobación: la suma de cada distribución da $Z$ : $2 + 6 = 8$ ; $2 + 8 + 7 = 17$ ; $2 + 8 + 8 + 2 = 20$ ✔.
Ejemplo 2. ¿De qué átomo es este diagrama? gráfico (leer un diagrama de capas)
En un diagrama de capas de un átomo neutro se ven 3 circunferencias alrededor del núcleo: en la 1.ª hay 2 electrones, en la 2.ª hay 8 y en la 3.ª hay 4. a) ¿Cuántos protones tiene el núcleo? ¿Qué elemento es? b) ¿Qué elemento con solo dos capas tendrá propiedades químicas parecidas?

Resolución
a) Electrones: $2 + 8 + 4 = 14$ . Como es neutro, tiene 14 protones: $Z = 14$ , silicio (Si). En el núcleo del diagrama pondría $14+$ .

b) El que también tiene 4 electrones en la última capa pero solo dos capas: 2, 4 → $Z = 6$ , el carbono. Por eso el carbono y el silicio se parecen químicamente.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Escribe la distribución de los electrones en capas de estos átomos neutros: a) carbono ( $Z = 6$ ); b) nitrógeno ( $Z = 7$ ); c) magnesio ( $Z = 12$ ); d) argón ( $Z = 18$ ).

Ver solución
a) 2, 4. b) 2, 5. c) 2, 8, 2. d) 2, 8, 8.
Llenando 2 – 8 – 8: a) $6 = 2 + 4$ ; b) $7 = 2 + 5$ ; c) $12 = 2 + 8 + 2$ ; d) $18 = 2 + 8 + 8$ .
2. Fácil
Completa la tabla (átomos neutros):

Elemento $Z$ Electrones Distribución en capas Electrones en la última capa

Litio 3

Flúor 9

Aluminio 13

Azufre 16

Potasio 19

Ver solución
Li: 3; 2, 1; 1. F: 9; 2, 7; 7. Al: 13; 2, 8, 3; 3. S: 16; 2, 8, 6; 6. K: 19; 2, 8, 8, 1; 1.
Electrones = $Z$ . Li: 2, 1. F: 2, 7. Al: 2, 8, 3. S: 2, 8, 6. K: 2, 8, 8, 1 (la 3.ª capa se queda en 8 y el electrón 19 va a la 4.ª).
3. Media
Identifica el elemento (átomo neutro) que tiene cada distribución: a) 2, 5; b) 2, 8, 3; c) 2, 8, 6; d) 2, 8, 8, 1.

Ver solución
a) Nitrógeno (Z = 7). b) Aluminio (Z = 13). c) Azufre (Z = 16). d) Potasio (Z = 19).
Sumamos los electrones para obtener $Z$ : a) $2 + 5 = 7$ (N); b) $2 + 8 + 3 = 13$ (Al); c) $2 + 8 + 6 = 16$ (S); d) $2 + 8 + 8 + 1 = 19$ (K).
4. Difícil
De estos elementos: litio ( $Z = 3$ ), oxígeno ( $Z = 8$ ), neón ( $Z = 10$ ), sodio ( $Z = 11$ ), azufre ( $Z = 16$ ) y argón ( $Z = 18$ ): a) Forma parejas con propiedades químicas parecidas y justifícalo. b) ¿Cuáles casi no reaccionan? ¿Por qué?

Ver solución
a) Li (2, 1) y Na (2, 8, 1); O (2, 6) y S (2, 8, 6); Ne (2, 8) y Ar (2, 8, 8). b) Ne y Ar: tienen la última capa completa.
Distribuciones: Li 2, 1; O 2, 6; Ne 2, 8; Na 2, 8, 1; S 2, 8, 6; Ar 2, 8, 8. a) Mismo número de electrones en la última capa: Li y Na (1); O y S (6); Ne y Ar (8). b) El neón y el argón tienen la última capa completa (8 electrones): son gases nobles, muy estables.

Para practicar más

1. Fácil
Escribe la distribución en capas de: a) boro ( $Z = 5$ ); b) neón ( $Z = 10$ ); c) fósforo ( $Z = 15$ ); d) calcio ( $Z = 20$ ).

Ver solución
a) 2, 3. b) 2, 8. c) 2, 8, 5. d) 2, 8, 8, 2.
a) $5 = 2 + 3$ ; b) $10 = 2 + 8$ ; c) $15 = 2 + 8 + 5$ ; d) $20 = 2 + 8 + 8 + 2$ .
2. Fácil
Dibuja el diagrama de capas del magnesio ( $Z = 12$ ) y del cloro ( $Z = 17$ ): el núcleo con su carga y cada capa con sus electrones.

Ver solución
Mg: núcleo 12+, capas 2, 8, 2. Cl: núcleo 17+, capas 2, 8, 7.
Magnesio: núcleo $12+$ ; 1.ª capa 2 e⁻, 2.ª capa 8 e⁻, 3.ª capa 2 e⁻. Cloro: núcleo $17+$ ; 1.ª capa 2 e⁻, 2.ª capa 8 e⁻, 3.ª capa 7 e⁻.
3. Media
Un átomo neutro tiene sus electrones repartidos en 3 capas y 5 electrones en la última. a) Escribe su distribución. b) ¿Cuál es su número atómico y qué elemento es? c) ¿Qué elemento con solo 2 capas se le parece químicamente?

Ver solución
a) 2, 8, 5. b) Z = 15, fósforo. c) El nitrógeno (2, 5).
a) Las dos primeras capas están llenas: 2, 8, 5. b) $2 + 8 + 5 = 15$ → fósforo (P). c) Con 5 electrones en la última de 2 capas: 2, 5 → $Z = 7$ , nitrógeno.
4. Difícil
Un átomo neutro tiene 2 electrones en la 1.ª capa, 8 en la 2.ª y 8 en la 3.ª, y ninguno más. a) ¿Qué elemento es? b) ¿Por qué casi no reacciona con otros elementos? c) ¿Qué átomo de 2 capas tiene también la última capa con 8 electrones? ¿Qué otro elemento, con una sola capa, también es muy estable?

Ver solución
a) Argón (Z = 18). b) Porque tiene la última capa completa. c) El neón (2, 8); el helio (2).
a) $2 + 8 + 8 = 18$ → argón. b) Su última capa está completa (8 electrones): es un gas noble, muy estable. c) Neón: 2, 8. El helio tiene una sola capa con 2 electrones, que es el máximo de la 1.ª capa: también está completa.