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Un sistema mecánico cuántico o una partícula que está ligada -es decir, confinada espacialmente- sólo puede adoptar ciertos valores discretos de energía, llamados niveles de energía. Esto contrasta con las partículas clásicas, que pueden tener cualquier cantidad de energía. El término se utiliza habitualmente para los niveles de energía de los electrones de los átomos, iones o moléculas, que están ligados por el campo eléctrico del núcleo, pero también puede referirse a los niveles de energía de los núcleos o a los niveles de energía vibracional o rotacional de las moléculas. Se dice que el espectro energético de un sistema con tales niveles de energía discretos está cuantizado.
En química y física atómica, una capa de electrones, o nivel de energía principal, puede considerarse como la órbita de uno o más electrones alrededor del núcleo de un átomo. La cáscara más cercana al núcleo se denomina “cáscara 1” (también llamada “cáscara K”), seguida de la “cáscara 2” (o “cáscara L”), luego la “cáscara 3” (o “cáscara M”), y así sucesivamente cada vez más lejos del núcleo. Las cáscaras se corresponden con los números cuánticos principales (n = 1, 2, 3, 4…) o se etiquetan alfabéticamente con las letras utilizadas en la notación de rayos X (K, L, M, N…).
Subnivel frente a orbital
La construcción de un edificio empieza por abajo. Se ponen los cimientos y se va subiendo el edificio paso a paso. Obviamente, no se puede empezar por el tejado, ya que no hay lugar para colgarlo. El edificio va desde el nivel más bajo hasta el más alto de forma sistemática.
Para crear las configuraciones de los electrones del estado básico de cualquier elemento, es necesario conocer la forma en que se organizan los subniveles atómicos en orden de energía creciente. La figura \(\PageIndex{2}\Nmuestra el orden de energía creciente de los subniveles.
Figura (Índice de página 2): Los electrones se añaden a los orbitales atómicos en orden de baja energía (parte inferior del gráfico) a alta (parte superior del gráfico), según el principio de Aufbau. Los niveles de energía principales están codificados por colores, mientras que los subniveles están agrupados, y cada círculo representa un orbital capaz de albergar dos electrones. (Crédito: Christopher Auyeung; Fuente: CK-12 Foundation; Licencia: CC BY-NC 3.0)
El subnivel de menor energía es siempre el subnivel \(1s\), que consta de un orbital. El único electrón del átomo de hidrógeno ocupará el orbital \(1s\) cuando el átomo esté en su estado básico. A medida que pasamos a átomos con múltiples electrones, éstos se añaden al siguiente subnivel más bajo: \(2s\), \(2p\), \(3s\), y así sucesivamente. El principio de Aufbau establece que un electrón ocupa los orbitales en orden de menor a mayor energía. El principio de Aufbau (en alemán, construcción) se conoce a veces como el principio de “construcción”. Cabe señalar que, en realidad, los átomos no se construyen añadiendo protones y electrones de uno en uno, y que este método es una mera ayuda para entender el resultado final.
Qué es un subnivel en la configuración electrónica
Nuestro modelo actual del átomo se basa en el concepto de niveles de energía para los electrones dentro de un átomo y en la interpretación matemática de los espectros atómicos detallados. Los requisitos de nuestro modelo son:
Imaginamos un átomo como un pequeño núcleo rodeado por un volumen de espacio mucho mayor que contiene los electrones. Este espacio está dividido en regiones denominadas niveles de energía principales, numerados 1, 2, 3, 4, … . ,
Cada nivel energético principal puede contener hasta 2n2 electrones, siendo n el número del nivel. Así, el primer nivel puede contener hasta 2 electrones, 2(12) = 2; el segundo hasta 8 electrones, 2(22) = 8; el tercero hasta 18, 2(32) = 18; y así sucesivamente. Sólo se necesitan siete niveles de energía para contener todos los electrones de un átomo de cualquiera de los elementos conocidos actualmente.
Como ya se ha dicho, la energía asociada a un nivel energético aumenta a medida que aumenta la distancia al núcleo. Un electrón en el séptimo nivel de energía tiene más energía asociada que uno en el primer nivel de energía.
Definición del subnivel de energía química
En química, el nivel de energía principal de un electrón se refiere a la cáscara u orbital en la que el electrón se encuentra en relación con el núcleo del átomo. Este nivel se designa con el número cuántico principal n. El primer elemento de un período de la tabla periódica introduce un nuevo nivel energético principal.
El concepto de niveles de energía es una parte del modelo atómico que se basa en un análisis matemático de los espectros atómicos. Cada electrón de un átomo tiene una firma energética que viene determinada por su relación con otros electrones de carga negativa del átomo y con el núcleo atómico de carga positiva. Un electrón puede cambiar de nivel energético, pero sólo por pasos o cuantos, no por incrementos continuos. La energía de un nivel energético aumenta cuanto más alejado del núcleo se encuentre. Cuanto más bajo es el número de un nivel de energía principal, más cerca están los electrones entre sí y del núcleo del átomo. Durante las reacciones químicas, es más difícil extraer un electrón de un nivel energético inferior que de uno superior.