Configuración electrónica

¿En qué orden se acomodan los electrones?

El núcleo y las tres partículas dicen cuántos electrones tiene un átomo neutro: los mismos que protones. No dicen en qué región del espacio está cada uno. La configuración electrónica es esa lista. Cada término trae tres datos: el número principal $n$, la letra del subnivel y un superíndice con los electrones de ese subnivel. ¹

$2p^{4}$ se lee "dos p cuatro": cuatro electrones en un subnivel $p$ ($l = 1$) con $n = 2$. $3d^{8}$ se lee "tres d ocho": ocho electrones en el subnivel $d$ ($l = 2$) de $n = 3$. ¹

Ideas clave

• En un átomo con varios electrones, dentro de un mismo $n$ la energía crece $s < p < d < f$. El $3d$ queda por encima del $4s$. ¹
• El principio de Aufbau agrega un protón y un electrón cada vez. El electrón nuevo ocupa el subnivel de menor energía que aún no esté lleno. ¹
• Pauli: dos electrones del mismo átomo no comparten los cuatro números cuánticos. En un orbital caben dos, con $m_s = +\frac{1}{2}$ y $m_s = -\frac{1}{2}$. ¹
• Hund: en orbitales degenerados, la menor energía es la de más electrones desapareados. ¹
• Los de valencia son los del nivel $n$ más alto. El resto son internos y se pueden reemplazar por el símbolo del gas noble que los iguala. ¹
• Cromo y cobre no siguen el llenado simple: un electrón pasa de $4s$ a $3d$ y ese subnivel queda a la mitad o lleno. ¹

La energía sube cuando sube $n$, porque el orbital es más grande y el electrón pasa más tiempo lejos del núcleo. Dentro del nivel, al subir $l$ el electrón penetra menos, en el orden $s > p > d > f$. Los internos repelen un poco a los externos. Eso es el apantallamiento: el electrón más apantallado queda menos estable y con más energía. En los orbitales chicos, de $1s$ a $3p$, manda el aumento de $n$. Más arriba los dos efectos se comparan y el orden ya no se adivina solo con $n$. El diagrama de llenado, leído en diagonales, da $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$, $5s$, $4d$, $5p$, $6s$, y sigue con $f$ y $d$ de los periodos largos. ¹

Un subnivel $s$ ($l = 0$) tiene un orbital y cabe $2$ electrones. Un $p$ ($l = 1$) tiene tres orbitales degenerados, $m_l = -1, 0, +1$, y cabe $6$. Un $d$ ($l = 2$) tiene $2l + 1 = 5$ orbitales y cabe $10$. Un $f$ ($l = 3$) tiene siete orbitales y cabe $14$. ¹

El hidrógeno ($Z = 1$) es $1s^{1}$. Por convención se dibuja primero la flecha con $m_s = +\frac{1}{2}$. El helio es $1s^{2}$: el segundo electrón entra al mismo orbital con el espín contrario. El litio no cabe en $n = 1$ y queda $1s^{2}\,2s^{1}$, o $[\mathrm{He}]\,2s^{1}$. El berilio llena el $2s$: $1s^{2}\,2s^{2}$. El boro pone el quinto electrón en $2p$. ¹

El carbono tiene dos electrones $2p$. Hund no los empareja: ocupa dos orbitales $p$ distintos, desapareados. El nitrógeno deja un electrón en cada uno de los tres $2p$. El oxígeno empareja uno y deja dos sueltos: $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{4}$. El neón cierra $n = 2$ con $2p^{6}$. ¹

El sodio agrega un electrón al neón y queda $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}$, abreviado $[\mathrm{Ne}]\,3s^{1}$. Esos electrones del último $n$ son los de valencia. Los de las capas internas son los de core. El magnesio es $[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}$, análogo al berilio. El aluminio es $[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}\,3p^{1}$, análogo al boro. Silicio, fósforo, azufre, cloro y argón repiten por fuera a carbono, nitrógeno, oxígeno, flúor y neón, con $n = 3$. ¹

El potasio no empieza el $3d$. La evidencia lo pone con el litio y el sodio: el electrón nuevo entra al $4s$, y el potasio es $[\mathrm{Ar}]\,4s^{1}$. El calcio cierra ese subnivel, $[\mathrm{Ar}]\,4s^{2}$. Desde el escandio los electrones siguientes entran al $3d$, hasta diez. ¹

Los de valencia son los que el átomo pierde, gana o comparte. En un grupo de la tabla hay el mismo número: litio y sodio tienen uno, berilio y magnesio tienen dos, flúor y cloro tienen siete. Por eso el grupo reacciona parecido. ¹

Cromo y cobre se salen del diagrama. Un electrón pasa del $4s$ al $3d$. En el cromo el $3d$ queda a la mitad. En el cobre el $3d$ queda lleno. No hay una regla corta que prediga todas las excepciones: a veces la repulsión de emparejar el $s$ gana a la diferencia pequeña de energía. El niobio, por ejemplo, se observa $[\mathrm{Kr}]\,5s^{1}\,4d^{4}$ y no la predicción $[\mathrm{Kr}]\,5s^{2}\,4d^{3}$. ¹

Ejemplos resueltos

El silicio, análogo al carbono

Escribe la configuración del silicio, $Z = 14$, y di cuántos electrones $3p$ quedan desapareados.

1. Catorce electrones llenan hasta el $3p$, que es el análogo externo del $2p$ del carbono. ¹
2. $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{2}$, o $[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}\,3p^{2}$.
3. Hund reparte los dos electrones $3p$ en dos orbitales, desapareados, igual que en el carbono.
4. Los de valencia son los de $n = 3$: dos en $3s$ y dos en $3p$, cuatro en total.

El último electrón del azufre

El azufre tiene $16$ electrones y por fuera se parece al oxígeno. ¿Cuál es su configuración y qué números cuánticos puede tener el último electrón?

1. La configuración es $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{4}$, o $[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}\,3p^{4}$. ¹
2. El último entra a un $3p$: $n = 3$ y $l = 1$.
3. $m_l$ puede ser $-1$, $0$ o $+1$. Esos tres orbitales tienen la misma energía.
4. Si el electrón queda desapareado, la convención toma $m_s = +\frac{1}{2}$.

Por qué el calcio no es 3d

El calcio tiene $Z = 20$. Alguien propone $[\mathrm{Ar}]\,3d^{2}$. ¿Qué configuración corresponde?

1. Después del argón, el siguiente subnivel del diagrama es $4s$, no $3d$. ¹
2. El potasio es $[\mathrm{Ar}]\,4s^{1}$ y el calcio cierra el par: $[\mathrm{Ar}]\,4s^{2}$.
3. El $3d$ empieza en el escandio, el elemento $21$.
4. $[\mathrm{Ar}]\,3d^{2}$ se adelanta dos electrones y salta el $4s$.

Errores comunes

Llenar $3d$ antes que $4s$ solo porque $3 < 4$. En este diagrama el $4s$ es más bajo que el $3d$. ¹

Emparejar los electrones $p$ en el primer orbital y dejar los otros vacíos. Hund los reparte mientras haya orbitales degenerados libres. ¹

Poner tres electrones en un mismo orbital. Pauli deja dos, y con espines opuestos. ¹

Contar como valencia todos los electrones del átomo. Los de valencia son los del $n$ más alto. El resto se esconde en el símbolo del gas noble. ¹

Aplicar el diagrama al cromo y al cobre sin la excepción. Ahí un electrón del $4s$ pasa al $3d$. ¹

Cómo lo pregunta el examen

Dan $Z$ o el símbolo y piden la configuración completa o la abreviada con el gas noble. También muestran una configuración y piden el elemento, o preguntan cuántos electrones desapareados hay en el subnivel $p$. Recorre el orden $1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d$, aplica Hund en los $p$ y los $d$, y deja cromo y cobre para el final: si el enunciado es uno de esos dos, no marques el llenado de $4s^{2}$ completo.

Resumen

• La configuración anota $n$, la letra del subnivel y los electrones en un superíndice. ¹
• Aufbau llena de menor a mayor energía. El $4s$ entra antes que el $3d$. ¹
• Pauli pone como máximo dos electrones por orbital, con espines opuestos. ¹
• Hund desaparece primero los orbitales de la misma energía. ¹
• Los de valencia están en el $n$ exterior. Cromo y cobre mueven un electrón de $4s$ a $3d$. ¹