Configuración Electrónica
Al referirnos a la configuración electrónica (o
periódica) estamos
hablando de la descripción de la ubicación de los electrones en los distintos
niveles (con subniveles y orbitales) de un determinado átomo.
Configurar significa
"ordenar" o "acomodar", y electrónico deriva de
"electrón"; así, configuración electrónica es la manera ordenada de
repartir los electrones en los niveles y subniveles de energía.
Científicamente, diremos que es la representación del modelo
atómico de Schrödinger o modelo de la mecánica
cuántica. En esta representación se indican los niveles, subniveles y los
orbitales que ocupan los electrones.
Debemos acotar que aunque el modelo de Schrödinger es exacto sólo
para el átomo de hidrógeno, para otros átomos es aplicable el mismo modelo
mediante aproximaciones muy buenas.
Para comprender (visualizar o graficar) el mapa de
configuración electrónica (o periódica) es necesario revisar los siguientes
conceptos.
En
el contexto de la mecánica cuántica, en la descripción de un átomo se sustituye
el concepto de órbita por el de orbital
atómico. Un orbital atómico es la región del espacio alrededor del núcleo
en el que la probabilidad de encontrar un electrón es máxima.La solución matemática de la
ecuación de Schrödinger precisa de tres números cuánticos. Cada trío de valores
de estos números describe un orbital.
Número cuántico principal (n): puede tomar valores enteros (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).
Está relacionado con la distancia promedio del electrón al núcleo en un
determinado orbital y, por tanto, con el tamaño de este e indica el nivel de
energía.
Número cuántico secundario (l): Los
niveles de energía, identificados con el número
cuántico principal (n), poseen subniveles, los cuales se asocian, además, a
la forma del orbital, y
son identificados por el número
cuántico secundario (l). Entonces, los valores del número cuántico
secundario dependen del número
cuántico principal "n".
Así, la cantidad de subniveles de energía que posea cada nivel
principal está dada por la fórmula n
– 1(el valor del número cuántico principal menos uno).
Este número cuántico secundario (l) nos indica en que subnivel se
encuentra el electrón, y toma valores desde 0 hasta (n - 1), recordando que n
es el valor del número cuántico principal. Así, para cada nivel n, el número
cuántico secundario (l) será:
l = 0, 1, 2, 3,…, n-1.
Ejemplo:
Si n = 1 (n – 1 = 0), entonces
l = 0 (en el nivel de energía 1 no hay subniveles de energía, y
para efectos de comprensión se considera este nivel 1 como subnivel 0)
Si n = 2 (n -1 = 1), entonces
l = 0, 1. El nivel de energía 2 posee dos subniveles, identificados como
0 y 1
Si n = 3 (n – 1 = 2), entonces
l = 0, 1, 2. El nivel de energía 3 posee tres subniveles, identificados
como 0, 1 y 2
Si n = 4 (n – 1 = 3), entonces
l = 0, 1, 2, 3. El nivel de energía 4 posee cuatro subnoiveles,
identificados como 0, 1, 2 y 3
Si n = 5 (n – 1 = 4), entonces
l = 0, 1, 2, 3, 4. El nivel de energía 5 posee cinco subnoveles,
identificados como 0, 1, 2, 3 y 4
También para efectos de comprensión, la comunidad científica ha
aceptado que los números que representan los subniveles (0, 1, 2, y 3) sean
reemplazados por las letras s, p, d y f, respectivamente, para representar los
distintos tipos de orbitales.
Estas letras se optiene de la inicial de las palabras sharp (s), principal (p), difuso
(d) y fundamental (f).
Cada subnivel, a su vez, posee distinta cantidad de orbitales, lo
cual veremos más adelante.
Ahora, con respecto a la forma del orbital de estos subniveles, el
número cuántico secundario (o azimutal) determina la excentricidad de la órbita: cuanto mayor sea este número, más
excéntrica será la órbita; es decir, será más aplanada la elipse que recorre el
electrón.
Así, en el nivel 1 (o capa K) el valor del nivel (identificado
como subnivel 0) es cero (no hay excentricidad) y su órbita es circular.
Para entender el concepto de
configuración electrónica es necesario asumir o aplicar dos principios
importantes:
• Principio
de Incertidumbre de Heisenberg: “Es imposible determinar simultáneamente la
posición exacta y el momento exacto del electrón”.
• Principio
de Exclusión de Pauli: “Dos electrones del mismo átomo no pueden tener los
mismos números cuánticos idénticos y por lo tanto un orbital no puede tener más
de dos electrones”.
Configuración estándar
Se representa la configuración
electrónica que se obtiene usando el cuadro de
las diagonales (una de
sus formas gráficas se muestra en la imagen de la derecha).
Es importante recordar que los
orbitales se van llenando en el orden en que aparecen, siguiendo esas
diagonales, empezando siempre por el 1s.
Aplicando el mencionado cuadro de
las diagonales la configuración electrónica estándar, para cualquier átomo, es
la siguiente:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
Más adelante explicaremos cómo se
llega este enjambre de números y letras que perturba inicialmente, pero que
es de una simpleza sorprendente.
Niveles de energía o capas
Si repasamos o recordamos los
diferentes modelos atómicos veremos que en esencia un átomo es parecido a un sistema
planetario. El núcleo sería la estrella y los electrones serían los planetas
que la circundan, girando eso sí (los electrones) en órbitas absolutamente no
definidas, tanto que no se puede determinar ni el tiempo ni el lugar para
ubicar un electrón (Principio de Incertidumbre de Heisenberg).
Los electrones tienen, al girar,
distintos niveles de energía según la órbita (en el átomo se llama capa o
nivel) que ocupen, más cercana o más lejana del núcleo. Entre más alejada del
núcleo, mayor nivel de energía en la órbita, por la tendencia a
intercambiar o ceder electrones desde las capas más alejadas.
Entendido el tema de las capas, y
sabiendo que cada una de ellas representa un nivel de energía en el átomo,
diremos que:
1. Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones para girar alrededor
del núcleo, numerados del 1, el más interno o más cercano al núcleo (el que
tiene menor nivel de energía), al 7, el más externo o más alejado del núcleo
(el que tiene mayor nivel de energía).
Estos niveles de energía
corresponden al número cuántico principal (n) y además de numerarlos de 1 a 7,
también se usan letras para denominarlos, partiendo con la K.
Así: K =1, L = 2, M = 3, N = 4, O = 5, P = 6, Q = 7.
2. A su vez, cada nivel de energía o capa tiene
sus electrones repartidos en distintos subniveles, que
pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f.
Para determinar la configuración
electrónica de un elemento sólo hay que saber cuantos electrones debemos
acomodar y distribuir en los subniveles empezando con los de menor energía e ir
llenando hasta que todos los electrones estén ubicados donde les corresponde.
Recordemos que partiendo desde el subnivel
s, hacia p, d o f se aumenta el nivel de energía.
3. En cada subnivel hay un
número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2
electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3
orbitales p, 5
orbitales d y 7 del tipo f. De esta forma el número máximo de
electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3
orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7)..
La distribución de niveles, subniveles, orbitales y número de electrones
posibles en ellos se resume, para las 4 primera capas, en la siguiente tabla:
Niveles de energía o capa
(n)
|
1 (K)
|
2 (L)
|
3 (M)
|
4 (N)
|
Tipo de subniveles
|
s
|
s p
|
s p d
|
s p d f
|
Número de orbitales en cada subnivel
|
1
|
1 3
|
1 3 5
|
1 3 5 7
|
Denominación de los orbitales
|
1s
|
2s 2p
|
3s 3p 3d
|
4s 4p 4d 4f
|
Número máximo de electrones en los orbitales
|
2
|
2 - 6
|
2 - 6 - 10
|
2 - 6 - 10 - 14
|
Número máximo de electrones por nivel de energía o capa
|
2
|
8
|
18
|
32
|
Insistiendo en el concepto inicial, repetimos que la configuración electrónica de un átomo es la distribución de
sus electrones en los distintos niveles, subniveles y orbitales.
Los electrones se van situando en los diferentes niveles y subniveles por orden de energía creciente (partiendo desde el más cercano al
núcleo) hasta completarlos.
Recordemos que alrededor del
núcleo puede haber un máximo de siete capas atómicas o niveles de energía donde
giran los electrones, y cada capa tiene un número limitado de ellos.
La forma en que se completan los
niveles, subniveles y orbitales está dada por la secuencia que se grafica en el
esquema conocido como regla de
las diagonales:
Es importante saber cuantos
electrones existen en el nivel más externo de un átomo pues son los que
intervienen en los enlaces con otros átomos para formar compuestos.
Regla de las diagonales
Sirve para determinar el mapa de
configuración electrónica (o periódica) de un elemento.
En otras palabras, la secuencia
de ocupación de los orbitales atómicos la podemos graficar usando la regla de
la diagonal, para ello debemos seguir la flecha roja del esquema de la derecha,
comenzando en 1s;
siguiendo la flecha podremos ir completando los orbitales con los electrones en
forma correcta.
En una configuración estándar, y
de acuerdo a la secuencia seguida en el grafico de las diagonales, el orden de
construcción para la configuración electrónica (para cualquier elemento) es el
siguiente:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6
Los valores que se encuentran
como superíndices indican la cantidad
máxima de electrones que
puede haber en cada subnivel (colocando sólo dos en cada orbital de los
subniveles).
Actividad Configuración Electrónica
Responda las siguientes preguntas a partir de la lectura del
blog
1.
¿Qué es la configuración electrónica?
2.
¿Qué es un orbital atómico?
3.
¿Cuáles son los números cuánticos descritos en
la lectura?
4.
¿Qué es la configuración estándar?
5.
¿Cuántos y cuáles son los niveles de energía?
6.
¿Cuántos electrones pueden encontrarse en cada
uno de los subniveles de energía?
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