Electrones de valencia
Los electrones de valencia son los que participan más directamente en los enlaces químicos y en las reacciones. En los átomos de los grupos principales suelen ser los electrones de la capa principal más externa; en los metales de transición conviene usar una definición más amplia, porque electrones d próximos en energía también pueden intervenir en el enlace y en los cambios de estado de oxidación.
Cómo encontrar los electrones de valencia en los átomos de los grupos principales
Na es [Ne]3s¹, por lo que tiene un electrón en la capa externa. Cl es [Ne]3s²3p⁵, por lo que tiene siete. Los elementos de una misma columna de los grupos principales repiten el mismo patrón ns/np, lo que explica el parecido químico dentro de cada familia.
Símbolos de Lewis y enlace
Los símbolos de Lewis colocan un punto por cada electrón de valencia alrededor del símbolo del elemento. Por convenio, se ocupan primero los cuatro lados con un solo punto antes de emparejar, en analogía cualitativa con la regla de Hund. Los puntos ayudan a identificar electrones de valencia no emparejados y pares solitarios al construir estructuras de Lewis.
Los cuatro electrones de valencia del carbono permiten cuatro enlaces en muchos compuestos neutros. El oxígeno suele formar dos enlaces y conservar dos pares solitarios. El cloro suele formar un enlace y tres pares solitarios. Son tendencias, no leyes del octeto inviolables.
Iones, estados de oxidación y metales de transición
Los metales de los grupos principales suelen perder sus electrones externos ns/np para formar cationes, mientras que los no metales suelen ganar o compartir electrones. Na → Na⁺ elimina 3s¹; Mg → Mg²⁺ elimina 3s². El Cl suele ganar un electrón para alcanzar una configuración semejante a la del argón.
Los metales de transición requieren más cuidado. Fe es [Ar]3d⁶4s². Aunque la capa principal de mayor n es n = 4, los electrones 3d están lo bastante próximos en energía para participar en el enlace y en la oxidación. Fe²⁺ y Fe³⁺ difieren en el número de electrones d, y esos electrones d controlan el color, el magnetismo y la química de coordinación.
Por tanto, «valencia = solo el n más alto» es un atajo útil para los grupos principales, no una definición universal para toda la química.
Consecuencias químicas de la estructura de valencia
Los grupos periódicos, las cargas iónicas comunes, las estructuras de Lewis y muchos patrones de enlace se derivan de las configuraciones de valencia. Los gases nobles de capa cerrada son relativamente poco reactivos porque sus capas externas están completas; los metales alcalinos tienen un electrón más allá de un núcleo electrónico de gas noble y lo pierden con facilidad.
El número de electrones de valencia por sí solo no determina la estructura final de una molécula. También importan las energías orbitales, la electronegatividad, la carga formal, la resonancia y la geometría molecular. Pero el recuento de valencia es la primera restricción que debe satisfacer cualquier estructura plausible.
En los sólidos, el concepto vuelve a ampliarse: los electrones de valencia ocupan bandas en lugar de permanecer localizados en átomos individuales, lo que conecta la valencia atómica con la conductividad y el enlace metálico.
Electrones de valencia, carga formal y estructuras de Lewis
Al dibujar una estructura de Lewis, los electrones de valencia proporcionan el presupuesto electrónico. En CO₂, el carbono aporta 4 y cada oxígeno 6, para un total de 16 electrones de valencia. Cualquier estructura propuesta debe contabilizar exactamente esos 16 mediante enlaces y pares solitarios.
La carga formal compara después el número de electrones de valencia del átomo neutro con los electrones que se le asignan en la estructura. Es una herramienta de contabilidad, no una carga atómica medida, pero ayuda a elegir entre estructuras de Lewis plausibles e identificar contribuyentes de resonancia.
Los electrones internos no son químicamente irrelevantes en todos los contextos
Los electrones internos suelen permanecer fuertemente ligados durante las reacciones ordinarias, por lo que la química se centra en los estados de valencia. Sin embargo, los electrones de capas internas pueden ser expulsados por rayos X, participar en espectroscopia de niveles internos e influir en el apantallamiento, los efectos relativistas y la polarizabilidad.
Por tanto, «interno» significa en gran medida inactivo en la química de valencia ordinaria, no físicamente ausente del entorno químico del átomo.
Valencia en elementos de transición y transición interna
En los metales de transición, las energías ns y (n−1)d están lo bastante próximas para que ambos tipos de electrones puedan ser químicamente activos. Los lantánidos y actínidos añaden electrones f cuya participación varía: los orbitales 4f están relativamente contraídos y se comportan como internos en gran parte de la química de los lantánidos, mientras que los 5f de los primeros actínidos pueden participar con mayor intensidad en el enlace.
Esta es una de las razones por las que una regla universal como «los electrones de valencia son los de la capa con n más alto» deja de funcionar fuera de los elementos representativos.
El número de electrones de valencia predice familias, no todos los estados de oxidación
Los átomos del grupo 17 tienen siete electrones de valencia de grupo principal y forman habitualmente iones −1, pero el cloro también presenta estados de oxidación formales positivos cuando está enlazado a oxígeno o flúor más electronegativos. El carbono del grupo 14 tiene cuatro electrones de valencia y, sin embargo, abarca estados de oxidación de −4 a +4.
El recuento electrónico fija el marco de enlace disponible; la electronegatividad y la estructura molecular determinan cómo se comparten los electrones y cómo se asignan los números de oxidación formales.
Electrones de valencia en espectroscopia
Los electrones de valencia tienen las menores energías de enlace y, por tanto, son los primeros que se extraen en espectroscopia fotoelectrónica. Los picos de niveles internos aparecen a energías de enlace mucho mayores. Esta separación experimental es una de las razones por las que la distinción entre electrones internos y de valencia tiene utilidad física y no es solo convencional.
Los cambios en la estructura electrónica de valencia también dominan la absorción óptica en muchos átomos, moléculas y sólidos, conectando el recuento electrónico introductorio con el color y la espectroscopia.
Ejercicios
Azufre
¿Cuántos electrones de valencia tiene el S neutro, [Ne]3s²3p⁴?
Solución
6 electrones de valencia en la capa n = 3.
Aluminio
Al es [Ne]3s²3p¹. ¿Qué ion común se obtiene al perder sus electrones de valencia?
Solución
La pérdida de los tres produce Al³⁺ con el núcleo electrónico [Ne].
Hierro
¿Por qué es engañoso afirmar que Fe solo tiene dos electrones de valencia químicamente relevantes porque su capa 4s² tiene n = 4?
Solución
Los cercanos electrones 3d también participan en el enlace y en los estados de oxidación, por lo que la valencia de los metales de transición es más amplia que el atajo de la capa más externa usado para los grupos principales.