Apantallamiento electrónico
El apantallamiento es la reducción de la atracción nuclear causada por los demás electrones de un átomo polielectrónico. La idea es sencilla, pero sus consecuencias no lo son: depende de dónde se encuentre la densidad electrónica, por lo que importan el número de capa, el tipo de orbital y la penetración.
Cómo funciona el apantallamiento
El apantallamiento surge de la repulsión electrón–electrón
Cada electrón es atraído por el núcleo positivo y repelido por los demás electrones. Para un electrón externo, gran parte de la densidad de los electrones internos se encuentra entre él y el núcleo. La atracción neta hacia el interior es, por tanto, menor de la que existiría en un ion monoelectrónico con la misma carga nuclear.
Esta es la base física de la constante de apantallamiento σ utilizada en modelos sencillos de carga efectiva como Zeff = Z − σ. σ no es una capa literal de carga y no tiene el mismo valor para todos los electrones del átomo.
Los electrones internos y los de la misma capa no apantallan por igual
Apantallamiento de los electrones internos
Los electrones de capas principales inferiores pasan la mayor parte del tiempo por dentro de la región de valencia. Reducen intensamente la atracción nuclear que sienten los electrones externos.
Apantallamiento dentro de la misma capa
Los electrones de una misma capa principal se solapan considerablemente y solo se apantallan de forma parcial. Por eso la carga nuclear efectiva suele aumentar a lo largo de un período.
En un átomo del período 3, los electrones 1s, 2s y 2p forman un núcleo electrónico compacto. Un electrón de valencia 3s o 3p pasa gran parte del tiempo fuera de ese núcleo, por lo que este proporciona un apantallamiento intenso. Otro electrón 3p no apantalla con tanta eficacia porque sus distribuciones radiales ocupan regiones similares.
La penetración diferencia el comportamiento de s, p, d y f
Los orbitales con el mismo número cuántico principal no presentan la misma distribución radial. La densidad electrónica s penetra más cerca del núcleo, seguida cualitativamente por p, d y f. Un electrón más penetrante pasa más tiempo dentro de la nube de apantallamiento de otros electrones y siente una atracción nuclear mayor.
Esto ayuda a explicar por qué los orbitales ns suelen tener menor energía que los np de la misma capa en átomos polielectrónicos, y por qué los electrones d y f apantallan relativamente mal a electrones aún más externos.
Orden cualitativo útil: penetración s > p > d > f.
No debe convertirse este orden en una constante numérica universal de apantallamiento. Las funciones radiales dependen del átomo y del estado electrónico.
Consecuencias periódicas
A lo largo de un período, el apantallamiento no compensa los protones añadidos
De un elemento al siguiente dentro de un período, el núcleo gana un protón y el electrón añadido suele entrar en la misma capa principal. Ese nuevo electrón de la misma capa aporta cierto apantallamiento, pero menos que una unidad completa de carga nuclear. Por ello, la capa de valencia experimenta una atracción nuclear efectiva mayor.
Este apantallamiento incompleto dentro de la misma capa es el mecanismo que explica gran parte de la disminución del tamaño atómico a lo largo de un período y contribuye al aumento general de la energía de ionización. Es más informativo que memorizar flechas sobre una tabla periódica porque explica la causa.
Sodio y cloro hacen concreta la comparación. Ambos tienen un núcleo electrónico de configuración similar a la del neón y electrones de valencia del período 3, pero el cloro posee seis protones más. Los electrones adicionales de la misma capa no apantallan seis unidades adicionales de carga nuclear, por lo que la nube externa es atraída hacia dentro con mucha más fuerza.
Ao bajar por un grupo, una nueva capa ocupada cambia el equilibrio
Al bajar por un grupo aumentan tanto los protones como las capas ocupadas. El nuevo electrón de valencia se encuentra más lejos del núcleo, mientras que todas las capas inferiores proporcionan un apantallamiento considerable. Por ello, el electrón externo puede seguir relativamente débilmente ligado a pesar de la mayor carga nuclear.
Esto se ve con especial claridad en los metales alcalinos. Su electrón externo ns¹ está separado del núcleo por un núcleo electrónico de gas noble. A medida que aumenta n, el orbital se hace mayor y aumenta el apantallamiento del núcleo electrónico, por lo que la primera energía de ionización disminuye al bajar por el grupo.
La débil capacidad de apantallamiento de d y f deja huellas en la tabla periódica
Los electrones d y f apantallan con menor eficacia a los electrones situados por fuera porque su densidad penetra peor en la región externa que la de los orbitales s y p.
Series de transición
A lo largo de una serie del bloque d, los electrones d añadidos solo apantallan parcialmente el aumento de la carga nuclear. Los radios atómicos e iónicos suelen disminuir moderadamente en lugar de permanecer constantes.
Contracción lantánida
Los electrones 4f añadidos apantallan mal. La atracción nuclear efectiva aumenta a lo largo de los lantánidos, contrae la nube electrónica externa e influye en los elementos posteriores.
La contracción lantánida ayuda a explicar por qué el circonio y el hafnio tienen radios inesperadamente similares aunque Hf se encuentre un período por debajo de Zr. La capa 4f añadida entre ambos no proporciona suficiente apantallamiento para compensar por completo la carga nuclear adicional.
Estimación del apantallamiento
Las reglas de Slater convierten el apantallamiento en una estimación controlada
Las reglas de Slater asignan contribuciones empíricas de apantallamiento según el electrón examinado y la posición de los demás electrones. Para un electrón ns o np, los electrones del mismo grupo aportan menos que los de la capa n − 1, mientras que los electrones más internos suelen tratarse como apantallamientos casi completos.
Las reglas son valiosas para comparaciones y cálculos manuales, pero no constituyen mecánica cuántica exacta. Los distintos orbitales de un átomo real se ajustan entre sí de forma autoconsistente, y un único número de apantallamiento comprime ese comportamiento de muchos electrones en una aproximación práctica.
Apantallamiento, distancia y energía orbital están relacionados, pero son conceptos distintos
Distancia y apantallamiento suelen variar conjuntamente, pero no son la misma idea. Un electrón puede estar más lejos del núcleo porque su orbital tiene un número cuántico principal mayor, mientras que el apantallamiento describe cómo la densidad de otros electrones modifica la atracción. La penetración también puede hacer que parte de un orbital grande alcance la región interna.
Mantener separados los conceptos evita explicaciones circulares como «el átomo es mayor porque está más apantallado, y está más apantallado porque es mayor». Una cadena causal mejor identifica explícitamente la carga nuclear, la distribución electrónica, el apantallamiento, la penetración y el tamaño orbital.
La energía orbital añade otra dimensión. Un mayor apantallamiento suele hacer que un electrón esté menos fuertemente ligado, pero la forma de la subcapa, el emparejamiento electrónico y la relajación de los electrones restantes también afectan a las energías de ionización reales. El apantallamiento es un mecanismo, no una predicción completa por sí solo.
Ejercicios
A lo largo del período 3
¿Por qué un electrón de valencia del cloro suele sentir una atracción nuclear efectiva mayor que uno del sodio, aunque ambos átomos tengan un núcleo electrónico de configuración similar a la del neón?
Solución
El cloro tiene seis protones más. Los electrones adicionales del período 3 solo proporcionan un apantallamiento parcial dentro de la misma capa, por lo que el aumento de la carga nuclear no queda compensado.
4s frente a 4p
¿Qué orbital suele ser más penetrante, 4s o 4p, y qué implica eso para el apantallamiento?
Solución
4s es más penetrante. Su densidad electrónica llega más cerca del núcleo, por lo que pasa más tiempo por dentro de la densidad de otros electrones y experimenta menos apantallamiento.
Lantánidos
¿Por qué el débil apantallamiento 4f contribuye a la disminución de los radios a lo largo de la serie de los lantánidos?
Solución
Cada protón añadido aumenta la atracción nuclear, mientras que los electrones 4f añadidos no apantallan a los electrones externos con suficiente eficacia para compensar ese aumento. La nube electrónica externa se contrae.