Consulta sobre los niveles de energía del átomo

Se puede decir que un átomo tiene infinitos niveles de energía, representando todos ellos valores negativos cuantizados de energía, lo que implica que los electrones que los ocupan están "ligados", es decir, no son libres. El espaciado entre niveles consecutivos se va haciendo cada vez más pequeño en valor absoluto, hasta el valor 0 de energía, que correspondería a electrones "libres"; a partir de ahí un electrón puede tener cualquier valor positivo de la energía y decimos que ya no pertenece al átomo.

Dado que el elemento con más electrones los tiene distribuidos en sólo 7 niveles de energía, se tiende a pensar que sólo existen esos 7 niveles, pero recuerda que en un átomo siempre se pueden excitar sus electrones a niveles superiores aportando energía suficiente (siempre cuantizada); más tarde estos electrones excitados tienden a "caer" a su nivel energético más estable emitiendo la energía correspondiente al salto.

Cuando se habla de bandas se está hablando de multitud de átomos (como un trozo de metal en estado sólido). En este caso los átomos que lo constituyen forman una gran "molécula" en la que sus niveles de energía están tan próximos que se puede hablar de banda de energía (como si fuera una banda continua en la que cualquier valor es posible) en lugar de niveles de energía discretos. En realidad, lo que aparece no es una banda, sino dos: una, llamada banda de valencia, contiene los electrones de los átomos, y otra, llamada de conducción, vacía. Dependiendo de qué elemento se trate, el espaciado entre las dos bandas puede ser prácticamente nulo, como en los metales, y de ahí la facilidad de los electrones a pasar a la banda de conducción, o lo suficientemente grande como para que los electrones de la banda de valencia no puedan saltar a la de conducción, impidiendo que haya electrones disponibles para moverse con libertad (aislantes o no conductores). Si el espaciado entre las dos bandas es suficientemente pequeño es posible que con una pequeña energía aportada haya algún electrón que pueda pasar a la banda de conducción; este sería el caso de los semiconductores como el silicio.

La respuesta sobre las bandas me quedo un poco más claro.

Con respecto a los niveles de energía, tu me dices que un átomo puede tener ifinitos niveles de energía representando todos ellos valores negativos cuantizados de energía.

Duda 1 :

¿Qué significa valores negativos de energía cuantizados?

Supongo que son valores negativos porque la carga de los e- es negativa.

Pero si decimos que un electrón puede tener cualquier valor positivo de energía, ¿Qué quiere decir eso? El termino positivo y negativo allí no lo comprendo

¿Pero cuantizados? ¿Significa ese termino que son valores cuya cantidad se ha determinado?

¿Qué queremos decir cuando hablamos de energía cuantizada?

Duda 2:

Luego me explicas que el espacio entre los niveles se va reduciendo hasta el valor cero, pero cuando eso sucede, si los niveles se van acercando reduciendo los espacios entre ellos; significaría que llegaría un momento en el que que solo tendríamos un solo nivel de energía en el cual (según entiendo de tu exposición) los e- ya serian libres. O sea que ese solo nivel de energía se convirtiria en una banda de conducción ¿cierto?

Duda 3 :

: Me habéis dicho que el elemento con más electrones los tiene distribuidos en sólo 7 niveles de energía, ¿Cuál elemento es ese con más electrones que tiene solo 7 niveles?

Gracias de antemano...

En cuanto a tu primera duda, la energía de los electrones de un átomo está cuantizada. Eso quiere decir que no puede tomar cualquier valor, sino sólo determinados valores. Es algo parecido a las plantas de un edificio: sólo pueden tener alturas discretas (es otra forma de decir que están cuantizadas); por ejemplo, las distintas plantas del edificio estarán a 3, 6, 9, 12... m de altura; no puede haber una a 4 m o 5 m. Lo mismo pasa con los nivele de energía en un átomo.

Que la energía sea negativa no es más que un convenio; es porque establecemos el nivel 0 de energía en ese último nivel del que hablaba en la respuesta anterior a partir del cual el electrón es libre. Los niveles inferiores tendrán energía negativa, y por encima del nivel de energía 0, positiva. Algo similar ocurre con el nivel 0 de altitud en la superficie terrestre: tomamos arbitrariamente el nivel 0 la superficie del mar; las profundidades marinas tendrán entonces alturas negativas, y las montañas, positivas. Por encima del nivel 0 un electrón sólo puede tener energía cinética, y ésta es intrínsecamente positiva. En cambio, cuando está ligado al átomo, además de la energía cinética positiva tiene energía potencial, que es negativa, y ésta es más grande en valor absoluto que la cinética. Por eso la suma es negativa.

Sobre tu segunda duda, los electrones libres ya no están ligados al núcleo atómico, es decir, ya no ocupan niveles energéticos del átomo y "vuelan" libremente.

La banda de conducción, en un sólido, (ya no hablamos de átomos aislados) es una banda de niveles tan juntos que se puede considerar continua; a ella sólo acceden los electrones con energía suficiente para saltar el "gap" entre las bandas de valencia y la de conducción.

La última pregunta que me haces se refiere al número limitado de niveles de energía ocupados. El elemento natural de mayor número de electrones es el uranio, que tiene 92 electrones distribuidos en 7 niveles que contienen, respectivamente, 2, 8, 18, 32, 21, 9, y 2 electrones. No estoy diciendo que no haya más niveles, sino que no hay electrones para ocupar más. Prescindo de los elementos transuránicos, producidos artificialmente y sumamente inestables.

Y el nivel ero en el átomo, ¿Cuál seria?...

Cada electrón en cada átomo tiene su nivel 0; el espaciado energético entre los diferentes niveles no es el mismo en cada elemento. Por ejemplo, arrancar el electrón de un átomo de H (llevarlo a ese nivel 0) requiere una energía de 13,6 eV y casi el doble para un electrón del átomo de He. En cambio el último electrón del Na es más fácil arrancarlo, pues sólo requiere unos 5 eV.

Por si no conoces la unidad de energía eV (electrón-voltio) te diré que es la energía adquirida por un electrón acelerado por la diferencia de potencial de 1 voltio, y equivale a 1,6 · 10^(-19) J

Te agradezco, ya me he sacado varias dudas.

Fundamentalmente lo que más dudas tenia era con relación a si la banda de conducción estaba formada por órbitas vacías o en cambio ocupada por e-. Ahora se que es un nivel de energía con órbitas vacías donde los e- que llegan allí se llaman libres porque con un mínimo aporte de energía pueden pasar a otros átomos.

Otra cosa que me había queddado por el tintero era confirmar si cuando hablamos de un nivel de energía, nos referimos a una sola órbita ; o por el contrario estamos hablando de varias órbitas que en conjunto constituirían un determinado nivel de energía o banda. Creo que son varias órbitas que conforman un mismo nivel ¿Cierto? Por ejemplo algunos dicen que la órbita que determina las propiedades de combinación química de un elemento es la llamada órbita de valencia que seria la ultima órbita más alejada del nucleo; pero en realidad no es solo una órbita, es un nivel o banda de energía que esta formado ppor varias órbitas ¿Es correcta esta apreciación?

Gracias por confírmamelo.

Hablamos de niveles energéticos; las órbitas de Bohr quedaron atrás. No existen órbitas definidas, según la mecánica cuántica. No trates de representar mentalmente el átomo como un pequeño sistema planetario; el estudio del átomo prescinde por completo de esa imagen.

Yo había leído en un libro (de los años 70 creo o al menos sobre esa época) que el átomo es como un pequeño sistema planetario en miniatura.

De manera que el átomo no es tan simple como me lo habían enseñado en un nivel básico. No son solamente orbitas; sino que en un nivel de energía pueden habré un montón de órbitas y los e- que giran en ellas tendrían el mismo nivel de energía, por ejemplo los electrones de valencia estarían en diversas órbitas que forman la banda de energía de valencia, pero todos los e- que están moviéndose en ella tendrían el mismo nivel de energía.

Creo que me ha quedado más claro.

Te agradezco...

Claro, a nivel básico se habla de órbitas tal como las había concebido Bohr, y aún hoy se usa ese término en ocasiones. Pero después de la irrupción de la mecánica cuántica en el primer tercio del s. XX, el estudio del átomo es verdaderamente complejo y requiere un alto nivel de conocimientos. Y deberías olvidar el término órbita para hablar de átomos. Mejor, niveles de energía, subniveles y orbitales atómicos y moleculares enlazantes y antienlazantes. Pero eso ya es otra historia...

Espero que te haya ayudado aunque sea sólo un poquito.

Si, me habéis ayudado bastante, gracias