SOBRE LA NECESIDAD DE REVISAR
LA TABLA PERIÓDICA Y LOS NUMEROS CUÁNTICOS.
No sé mucho sobre la tabla
periódica y menos aun de espectrografía, por lo que lo que expongo a
continuación tiene mucho de especulativo y quizá requiera varios ajustes importantes;
sin embargo, creo que se requiere una revisión a fondo de los conceptos que se
manejan actualmente respecto a los números cuánticos y la distribución de los
electrones en los diferentes átomos. Espero que este análisis pueda contribuir
a dicha revisión.
El motivo fundamental de esta propuesta es dar un
orden mas coherente a la tabla periódica, evitando los “saltos” de un nivel a
otro durante el proceso de colocación de los electrones en átomos sucesivos y,
como consecuencia de ello, modificar parcialmente los números cuánticos
adaptándolos a un sistema mas sencillo. La propuesta se ajusta perfectamente a
los elementos conocidos en la actualidad, especialmente a los primeros periodos
de la tabla.
La propuesta comienza con un estudio de las tablas
de “llenado” de los átomos que suelen aparecer en diversos textos y, a partir
de este análisis, se proponen diversos cambios que conducen, finalmente, a
sugerir la modificación de los números cuánticos.
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La Tabla 1 es la que aparece normalmente en los
textos. En la parte inferior se indican los niveles (K, L, M…) y subniveles (s,
p, d, f) correspondientes a cada columna. Por claridad de impresión se marcan
con mayúsculas los subniveles.
Cada fila termina en la “capa externa”, mostrando
los electrones de valencia (eléctrica) de cada elemento.
El uso de colores ayuda a identificar sus detalles:
el naranja indica un subnivel lleno; se empleó un color distinto para señalar
los subniveles que se están llenando al crecer el número atómico (Azul = S,
Violeta = P, Verde = D, Rosa = F). La
capa externa de los grupos del Cu y el Zn, se marcan en un azul claro por las
razones que se indican mas adelante.
Aunque el llenado de cada subnivel sigue,
generalmente, un orden regular, hay algunas irregularidades que se marcan en
rojo y se indica, en cada caso, como afectan el llenado. Por ejemplo, el Cr
debería tener 4 electrones en el subnivel dM y 2 en el sN, pero tiene 5 y 1 respectivamente. Las irregularidades en
los lantánidos y actínidos afectan a los subniveles f y d correspondientes.
En los fragmentos de tabla siguientes podemos
observar todo lo dicho hasta ahora:
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La Tabla 2 es totalmente semejante a la 1 e incluye
la misma información, pero las columnas están colocadas siguiendo el orden de
los subniveles que se van llenando consecutivamente, en vez de clasificarlas
por niveles:
Para señalar el hecho de que los subniveles S se conservan como capas externas, hemos agregado las columnas azules delgadas que indican el grado de energía de tales subniveles y separa los subniveles “internos” (correspondientes a niveles parcialmente llenos) de los externos. En la figura siguiente se puede observar esto:
Nótese que, exceptuando las irregularidades marcadas
en rojo, siempre se cumplen las siguientes reglas:
-Ningún subnivel comienza a llenarse hasta que el
subnivel anterior está completamente lleno.
-Los subniveles “internos” siempre son F y/o D y en
la Tabla siempre están delimitados por la línea azul gruesa en que se anotan
los electrones del subnivel S y la línea azul delgada que indica la energía de
S.
-El llenado de un
periodo (cada línea de la Tabla Periódica oficial) siempre comienza con un
subnivel S, seguido por los subniveles F (primero) y D (después) cuando estos
existen.
-Una vez llenos los
subniveles internos, el subnivel S se reduce a 1 electrón en el grupo del Cu y
vuelve a subir a 2 en el grupo del Zn.
-El final del
periodo se caracteriza por el llenado de un subnivel P, que siempre es
“externo”, es decir: “cubre” al subnivel S que formaba la capa externa hasta
ese momento.
La presentación de
la Tabla 2 muestra con mayor claridad la forma en que se colocan los electrones
en cada átomo y como “cubren” unas capas a otras; pero además sugiere algunas
correcciones o aclaraciones.
La primera se
refiere al extraño comportamiento de los electrones en el grupo del Cu: En
todos los grupos, los electrones se acomodan en el subnivel que se está
llenando y permanecen fijos en su lugar; la única excepción a este
comportamiento es en el grupo del Cu, en el que hay una especie de derrumbe que
hace que los electrones salten del subnivel S al P, dejando vacío al primero,
que se vuelve a llenar con 1 (Cu) y 2 (Zn) electrones nuevos. Esto afecta la
regularidad de llenado del subnivel P que pasa súbitamente de 8 a 10 electrones
(los 2 últimos electrones de P nunca provienen de “el exterior” sino del
subnivel S).
Esta aparente
irregularidad se puede explicar suponiendo que el subnivel D se llena
completamente con 8 electrones y no con 10 y que el Cu y el Zn (y los demás
elementos de ambos grupos) se forman añadiendo los electrones a una capa
diferente, a la que llamaremos D3, que se satura con 2 electrones.
En la figura
siguiente podemos comparar las configuraciones según la explicación actual y
según la suposición del subnivel D3:
El subnivel S deja
de ser la capa externa al ser cubierto por el D3, que, a continuación, será
cubierto por el P.
La inclusión del
subnivel D3 le da una “estructura de cebolla” sumamente regular al proceso de
llenado, haciendo que cada subnivel que comienza a llenarse “cubra” al subnivel
anterior; la única excepción es la de los subniveles S, que cubren a los F y P
que los siguen.El hecho de dividir
el subnivel D en 2 partes, plantea la posibilidad de hacer otras divisiones. En
la Tabla 3 se muestra una posible distribución electrónica con los niveles F y
D divididos en 3 subniveles cada uno, a los que llamamos F1, F2 y F3 y D1, D2 y
D3 respectivamente y que se saturan con 2 o 6 electrones según el caso.
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La Tabla 3 se basa
en la distribución electrónica propuesta, es decir, considerando 3 subniveles D
y 3 subniveles F.
En principio,
podemos alarmarnos porque esto rompe con los números cuánticos que conocemos
actualmente; pero, como veremos mas adelante, no solamente no sucede así, sino
que refuerza y clarifica estos conceptos.
Antes de analizar
los números cuánticos (que aparecen en la parte derecha de la Tabla 3) veremos
como se distribuyen los electrones.
La figura siguiente
reproduce la parte inferior de la Tabla 3, incluyendo los nuevos subniveles y,
en ella, se puede apreciar la gran regularidad en el orden de llenado.
Excluyendo los 2
primeros subniveles S (S-K y S-L) en los primeros niveles se repite
constantemente la secuencia 6-2-6-2-2 hasta la aparición del primer subnivel F (el F1 del
nivel N), a partir del cual la secuencia se simplifica a 6-2…
Todos los
subniveles se saturan con 2 o con 6 electrones, haciendo innecesaria la
clasificación con 10 y 14 electrones (aunque se conserva en la suma de los 3
subniveles). Las saturaciones siempre son las mismas: S=2, P=6, D1=2, D2=6,
D3=2, F1=6, F2=2, F3=6.
El resto de la
Tabla 3 es semejante a la 2, con unas ligeras modificaciones:
Para indicar que
los electrones de un subnivel S están en el átomo mientras se llena una capa
interior, pero que los de S forman la capa exterior, se marcan entre comillas y
sobre fondo amarillo (nótese que coinciden con la franja azul brillante).
Cuando estos electrones dejan de ser la capa externa se marcan sin comillas y
sobre fondo naranja.
A continuación se
muestra una parte de la Tabla 3 en la que se pueden observar todas las
anotaciones anteriores y en la que se ve claramente el orden de llenado de cada
subnivel:
Como consecuencia de todo lo
expuesto hasta aquí, es de esperarse que haya alguna alteración en la
clasifcación de los números cuanticos y, en efecto, la hay; pero como veremos a
continuación, esta es mínima y mas sencilla que la actual.
Para empezar, consideremos la
Tabla Periódica tal como se presenta actualmente:
Por razones
fundamentalmente de espacio (la tabla queda demasiado larga) se colocan por
separado los lantánidos y actínidos. Aquí los ponemos en el lugar que realmente
les corresponde.
Cada línea
corresponde a un periodo y cada periodo comienza con el subnivel S de un nivel.
Tanto el periodo como el nivel empiezan con el número cuántico principal “n”,
aumentando progresivamente desde 1.
Hasta aquí hay una
regularidad inobjetable. Pero en cuanto comienza a llenarse un periodo surgen
cambios, no solo de subniveles, sino también de niveles.
Cabe, entonces,
preguntarse si se pueden clasificar los elementos de tal forma que cada periodo
corresponda a un solo nivel y que éste empiece y termine su llenado en el
periodo. Mi respuesta es SI, es posible. Y para ello solo se requieren pequeños
cambios.
En primer lugar hay
que pasar los grupos 1 y 2 (Li y Be) del principio de un periodo al final del
periodo anterior. Haciendo este cambio y aplicando el código de colores que
hemos utilizado, la Tabla Periódica tendrá el siguiente aspecto:
La numeración de
los periodos y del número cuántico principal comenzara desde 0 y no desde 1.
- El periodo 0 está
formado por el H y el He. Este último debería ocupar la esquina superior
derecha de la tabla, pero se colocará junto a los demás gases nobles.
- El periodo 1 está
formado por el Li y Be exclusivamente.
- A partir del
periodo 2, los elementos que constituyen cada periodo son los mismos que en la
clasificación actual, con la excepción ya señalada de la exclusión de los
elementos de los grupos 1 y 2 y su sustitución por los correspondientes del
siguiente periodo.
- Cada periodo se
inicia en un subnivel F, D o P, según corresponda y termina siempre en el grupo
2 (alcalinotérreos).
Vemos, pues, que la
Tabla Periódica sufre muy pocos cambios.
Adicionalmente, la parte pintada de azul
señala los elementos en los que un subnivel S cubre los subniveles interiores y
la parte anaranjada los elementos con capas exteriores.
Resulta muy
relevante el hecho de que cada periodo “se repite”; los 2 primeros solo tienen
subnivel S, los dos siguientes S y P, los dos siguientes S, P y D y los dos
últimos S, P, D y F.
En la clasificación
actual los subniveles D aparecen en el periodo siguiente al iniciado con el S
de su propio nivel y los subniveles F dos periodos después, dando lugar a una
estructura escalonada.
Con base en esto
podemos suponer que cada periodo forma un solo nivel completo en el que solo
existen los subniveles que aparecen en él y que estos forman parte del propio
nivel (y no de niveles anteriores).
Para conseguir
esto, basta con introducir un número cuántico l, al que llamaremos “fundamental”, que define los
valores de los otros números en la forma siguiente:
l = 0, 1, 2…
n = 2l + 0 y n = 2l + 1 únicamente.
l = l, l-1....0
m = -l, -(l-1)… -1, 0, +1…+l
s = +1/2
y s = -1/2 únicamente.
Nótese que los
valores de m y s son los mismos de la clasificación actual y solo se modifican n y l. Los valores de este último se deben tomar en el orden indicado y
no de 0 hacia arriba.
La parte derecha de
la Tabla 3 muestra los números cuánticos según esta propuesta y vemos que existe una concordancia perfecta con los
subniveles propuestos.
La columna m está dividida en grupos sucesivos de
2 elementos para señalar la existencia de los 2 valores de s (véase la figura A siguiente). Intencionalmente se evitó un
tratado mas riguroso para cumplir con la Ley de Pauli, lo que haría necesario
modificar las partes de esta columna correspondientes a los subniveles que se
saturan con 6 electrones (no aplica a los que se saturan con 2) en la forma que
se ve en la figura B
En lo referente a
la irregularidades, marcadas en rojo, la mayoría persiste; pero algunas
desaparecen con esta clasificación (elementos del 65 al 68 y elemento 102).
Debo aclarar que la información con la que cuento es de hace mas de 30 años y
en ella aparecen marcadas con interrogación las distribuciones irregulares que
afectan a los subniveles D y F; esto implica, en primer lugar, dudas sobre su
exactitud, y en segundo lugar, la necesidad de una revisión basada en la
clasificación propuesta para determinar el subnivel (D1, D2…F3) en que se
encuentran los electrones. (Por tal motivo se señalan en rosa y con
interrogación).
Los casos del Cr y
los elementos del 41 al 45 se podrían explicar como un “desdoblamiento” del
subnivel D2 que cubriría con un electrón al subnivel S. Esto mismo sucede con
el Pt.
El grupo del Ni merece una mención especial: En el Ni el subnivel S cubre al D2 siguiendo el orden regular, mientras que en el Pd sucede lo contrario ( el S queda cubierto por el D2 ) y en el Pt, como ya dijimos, se presenta un “desdoblamiento” semejante al del Cr.
Finalmente, la
clasificación propuesta cuenta con la ventaja adicional de que no es necesario
estar llenando planas de doses,
seises, dieces y catorces y se puede resumir en la forma que aparece en la
figura 4.
Las 2 primeras columnas
indican el número atómico y el símbolo del elemento.
La columna Ex marca los electrones de la capa
externa y la columna In los de la
capa interna que se está llenando.
Recuérdese que con
la clasificación propuesta los subniveles se llenan en orden consecutivo hasta
llenar el nivel y que no quedan huecos en la tabla.
Las zonas marcadas
en naranja indican que todos los subniveles anteriores están completos.
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