Niveles de energía en un átomo

Question

He estado pensando en los niveles de energía de un átomo. Cuando estudiamos los espectros lineales del átomo de hidrógeno decimos que cuando los electrones saltan de una capa superior a una inferior emiten fotones de cierta frecuencia, pero en ese ejemplo decimos que el hidrógeno tiene infinitos niveles de energía y que el electrón puede saltar desde cualquier nivel. Pero cuando estudiamos los enlaces decimos que algunos átomos carecen de orbitales d y por ejemplo decimos que el Nitrógeno no tiene orbitales d, pero cuando hacemos espectros lineales tiene infinitos niveles de energía. ¿Cómo se sostienen estas dos afirmaciones?

Answer 1

El átomo de H tiene un número infinito de niveles de energía que abarcan un intervalo de energía finito. Este intervalo es de 13,6 eV, la energía de ionización, y es igual a la energía de Rydberg R en energía. En la teoría más simple (básica) la energía es $E_n=-R/n^2$ donde n es el número cuántico principal, $n=1..\infty$ ), por lo que a medida que aumenta la energía los niveles energéticos se acercan entre sí. La energía también aumenta (se vuelve menos negativa) a medida que n aumenta.

Además, para cada nivel n hay otros orbitales de nominalmente la misma energía que describen el momento angular y la forma del orbital. Los orbitales son 1s, [2s, 2p], [3s, 3p ,3d], [4s, 4p, 4d, 4f] etc. donde los niveles entre paréntesis son nominalmente de la misma energía. (Sin embargo, la interacción entre electrones cambia estas energías, pero sólo ligeramente en comparación con su energía total).

La emisión de luz (fluorescencia) a la que se refiere procede de transiciones entre dos de estos niveles cualesquiera (sujeto a la conservación de la energía y el momento angular). Otros tipos de átomos se comportan de forma similar, pero como hay varios electrones, las ecuaciones que describen la energía son mucho más complejas.

Por tanto, los átomos de H tienen orbitales d al igual que los átomos de N, pero en su estado de energía más bajo no hay suficientes electrones para llenar ninguno de ellos. Los orbitales d sólo empiezan a llenarse a medida que se alcanza el Sc en los metales de transición.

En los átomos de H y N se pueden alcanzar orbitales superiores, por ejemplo absorbiendo fotones o impartiendo energía de electrones en movimiento rápido en una descarga. Sin embargo, en el enlace, los orbitales d no participarán en el orbital de enlace en estado fundamental de una molécula si no hay suficientes electrones y no hay suficiente energía para llenar inicialmente los orbitales atómicos d. En cuanto hay suficientes electrones, como ocurre en los complejos de metales de transición, los orbitales d pasan a ser esenciales para comprender el enlace.

Nota: (Estoy ignorando ideas como la hibridación entre orbitales)

Answer 2

Fíjate que en un caso habla de saltar de una órbita a otra y en otro habla de los tipos de órbitas.

Un átomo tiene infinitas capas disponibles, pero en cada capa hay una cantidad finita de órbitas permitidas.

Hay un buen debate al respecto aquí : Diferencia entre cáscaras, subcáscaras y orbitales

El nitrógeno está lleno (en el estado fundamental) en la capa n=2, por lo que sólo tiene orbitales l=0 (s) y l=1 (p), no puede tener orbitales d en el estado fundamental.

Para más información : Números cuánticos, Orbitales atómicos y Configuraciones de electrones