Configuraciones electrónicas

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La configuración electrónica de un átomo describe cómo se distribuyen los electrones en los diferentes niveles de energía alrededor del núcleo. Esta distribución se determina mediante números cuánticos, que definen las características de los orbitales donde los electrones se encuentran.

Configuración electrónica con 1 número cuántico. Antiguamente, el modelo de Bohr se utilizaba para representar estos niveles de energía en un átomo. Según Bohr, los electrones se encuentran en órbitas circulares a distancias específicas del núcleo, que corresponden a diferentes niveles de energía. A medida que se aumenta el número cuántico principal (n), los electrones ocupan niveles de energía más elevados y se alejan del núcleo. En el modelo de Bohr, los números cuánticos son los siguientes:

Número cuántico principal (n): Define el nivel de energía en el que se encuentra un electrón. Los valores de n van de 1 a 7 en los elementos químicos más comunes. Cuanto mayor sea el valor de n, más energía tiene el electrón y más alejado está del núcleo.

Número máximo de electrones: El número máximo de electrones en cada nivel se determina por la fórmula $2n^2$. Así que:

• En el nivel 1 (n=1), el máximo de electrones es 2 ($2 \times 1^2$).
• En el nivel 2 (n=2), el máximo de electrones es 8 ($2 \times 2^2$).
• En el nivel 3 (n=3), el máximo de electrones es 18 ($2 \times 3^2$).
• En el nivel 4 (n=4), el máximo de electrones es 32 ($2 \times 4^2$).
• En el nivel 5 (n=5), el máximo de electrones es 50 ($2 \times 5^2$).
• En el nivel 6 (n=6), el máximo de electrones es 72 ($2 \times 6^2$).
• En el nivel 7 (n=7), el máximo de electrones es 98 ($2 \times 7^2$).

Configuración electrónica con 2 números cuánticos. La configuración electrónica más conocida es la que aparece en la tabla periódica. Aprender a leerla es esencial para interpretar correctamente las configuraciones de los elementos. En este tipo de configuración, se aplican el principio de construcción de Aufbau y la regla de Madelung. Todos los elementos siguen el mismo patrón de llenado, por lo que veremos cómo se despliegan los dos números cuánticos hasta el nivel 4p.

Dentro de cada subnivel (s, p, d, f), los electrones se distribuyen según las capacidades máximas de cada uno: el subnivel s puede albergar hasta 2 electrones, el p hasta 6, el d hasta 10, y el f hasta 14. Este proceso continúa hasta que se alcanza el número máximo de electrones del elemento. En general, el número máximo de electrones coincide con el número atómico del elemento, que corresponde al estado fundamental. Sin embargo, en iones positivos, la cantidad de electrones disminuye en función de la carga del ion, mientras que en iones negativos, la cantidad de electrones aumenta según la carga del ion.

En la tabla periódica, la configuración electrónica con dos números cuánticos se presenta de forma abreviada utilizando la notación de gas noble, que representa todos los electrones hasta el último gas noble anterior. Como los subniveles anteriores son siempre los mismos que los del gas noble más cercano, las configuraciones electrónicas pueden resumirse con el gas noble entre corchetes, seguido de la parte específica de la configuración para cada elemento, como se muestra en los ejemplos.

Gas noble	Configuración de gas noble	Elemento	Configuración resumida
[He]	1s²	[Li]	[He]2s¹
[Ne]	1s² 2s² 2p⁶	[Al]	[Ne]3s² 3p³
[Ar]	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶	[Ca]	[Ar]4s²
[Kr]	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶	[I]	[Kr]5s² 4d¹⁰ 5p⁵

Fig. 5.1. La tabla periódica se organiza de acuerdo con la configuración electrónica de los elementos, siguiendo la distribución de los electrones en los diferentes subniveles de energía (s, p, d, f) según los dos primeros números cuánticos: el número cuántico principal (nivel) y el número cuántico angular (subnivel). Esta organización da lugar a lo que se conoce como bloques, que agrupan a los elementos según el subnivel en el que sus electrones finales se encuentran. Bloque s: Los elementos en este bloque tienen electrones en el subnivel s. Estos elementos se encuentran en las dos primeras columnas de la tabla periódica (grupos 1 y 2), así como en el hidrógeno y helio, que ocupan el primer período. El subnivel s puede alojar un máximo de dos electrones. Bloque p: Los elementos en este bloque tienen electrones en el subnivel p. Estos se encuentran en los grupos 13 a 18 de la tabla periódica. El subnivel p puede contener hasta seis electrones, y los elementos en este bloque incluyen metales, no metales y gases nobles. Bloque d: Los elementos en este bloque tienen electrones en el subnivel d. Este bloque incluye los elementos de transición y está ubicado en los grupos 3 a 12. El subnivel d puede contener hasta diez electrones, y estos elementos suelen tener propiedades metálicas. Bloque f: Los elementos en este bloque tienen electrones en el subnivel f. Los elementos de este bloque son los lantánidos y actínidos, que se encuentran en las dos filas separadas en la parte inferior de la tabla periódica. El subnivel f puede contener hasta catorce electrones.

Esta distribución en bloques refleja cómo los electrones se organizan en los distintos subniveles según su configuración electrónica. Al llenar los orbitales en un subnivel determinado, los electrones lo hacen de acuerdo con los principios fundamentales de la mecánica cuántica, como el principio de Aufbau, la regla de Hund y el principio de exclusión de Pauli. Sin embargo, la distribución de los electrones según los niveles más bajos de Aufbau funciona correctamente solo para los elementos de los bloques s y p. Para los demás elementos, la distribución puede no coincidir con la realidad en algunos casos, por lo que es necesario observar la tabla periódica con cuidado para comprender las configuraciones electrónicas de manera precisa.

Configuración electrónica de 3 números cuánticos. El tercer número cuántico se puede entender como cajas donde se almacenan los electrones. Estas cajas, llamadas orbitales, tienen un significado distinto si interpretamos el electrón como partícula o como onda. En ambos casos, cada orbital puede contener un máximo de dos electrones. El llenado de los orbitales sigue la regla de Hund, que establece que los electrones deben distribuirse en orbitales de la misma energía de forma que se separen siempre que sea posible.

Aunque originalmente se usaban símbolos más complejos, hoy utilizamos una notación más simple: los subniveles (s, p, d, f) representan el número cuántico de momento angular o simplemente subnivel (l), los orbitales se representan como cajas, y el número cuántico de spin (m_s) se indica con flechas hacia arriba y hacia abajo. En esta explicación, nos centraremos en la interpretación de la primera regla de Hund.

La primera regla de Hund tiene dos consecuencias importantes al predecir el estado fundamental de un elemento. La primera establece que los electrones se distribuyen en orbitales de modo que se alejen lo máximo posible entre sí. Esto significa que los electrones se colocan primero en orbitales separados, y solo cuando no hay más orbitales disponibles, se emparejan. A partir de aquí, nos enfocaremos solo en las configuraciones electrónicas del último nivel de energía.

Configuración electrónica con 4 números cuánticos o diagrama de orbitales. En la configuración con cuatro números cuánticos, se aplican las consecuencias de la regla de Hund sobre el giro de los electrones. Según esta regla, cuando se llenan orbitales de igual energía, como los del subnivel p, se comienza colocando los electrones en orbitales diferentes, todos con el mismo giro (spin). Solo cuando es necesario emparejar electrones en un mismo orbital, se les asigna un giro opuesto.

Una de las aplicaciones más importantes de las configuraciones electrónicas es la comprensión de las propiedades químicas, tanto en química orgánica como inorgánica. De hecho, las configuraciones electrónicas han llegado a ser la base de la teoría moderna de la valencia, permitiendo explicar el tipo de enlaces entre elementos, así como la geometría molecular en muchas moléculas, aunque no en todas. Sin embargo, es importante destacar que las configuraciones electrónicas, tal como las representamos hoy, interpretan al electrón solo como una partícula, no como una onda. Esto hace que la configuración electrónica sea útil, pero también limitada cuando se trata de trabajar en el contexto de la mecánica cuántica moderna, especialmente debido a la dualidad onda-partícula del electrón.

Configuraciones electrónicas 

Ejemplo 1. (a) El elemento con configuración electrónica [Ne] 3s² 3p². Identifica el elemento y su ubicación en la tabla periódica.  (b). El ion X²⁻ tiene la configuración electrónica [He] 2s² 2p⁶. ¿Qué elemento formó este ion y cuál es su ubicación en la tabla periódica? (c) Un elemento tiene la configuración electrónica [Ar] 4s² 3d⁵. ¿Qué elemento es y cuál es su grupo y periodo en la tabla periódica? https://youtu.be/byPnCCkfLC0

Ejemplo 2. (a) El ion X²⁺ tiene la configuración electrónica [Ar] 3d⁶. ¿Cuál es su elemento original y cuál es su estado de oxidación? (b) El elemento con configuración electrónica [Kr] 5s² 4d¹⁰ 5p². Identifica el elemento y su grupo y periodo en la tabla periódica. (c) El ion X⁺ tiene la configuración electrónica 1s². ¿Qué elemento es y qué grupo y periodo ocupa en la tabla periódica? https://youtu.be/Jk42nwHzqEs

Ejemplo 3. (a) La configuración electrónica de un átomo es [Ne] 3s² 3p³. ¿Qué elemento es y en qué grupo de la tabla periódica se encuentra? (b) El ion X³⁺ tiene la configuración electrónica [Ne]. ¿Qué elemento formó este ion y cuál es su grupo y periodo? (c) La configuración electrónica de un átomo es [Ar] 4s² 3d⁴. ¿Qué elemento es y cuál es su grupo y periodo en la tabla periódica? https://youtu.be/qVn3xMqg_KA

Ejemplo 4. (a) La configuración electrónica de un átomo es [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d¹: ¿Qué elemento es y cuál es su grupo y período en la tabla periódica? (b) La configuración electrónica de un ión es [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁶: ¿Qué ión es y qué elemento lo formó? (c) El átomo con configuración electrónica [Ne] 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸ tiene número atómico 28: ¿Qué elemento es y en qué grupo y período se encuentra? https://youtu.be/LdkIhtoN9GM

Ejemplo 5. (a) El átomo con la configuración electrónica [Kr] 5s² 4d¹⁰ 5p³ tiene número atómico 51. ¿Qué elemento es y en qué periodo y grupo se encuentra? (b) La configuración electrónica de un átomo es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. ¿Qué elemento es y cuál es su número atómico? (c) El ion X²⁺ tiene la configuración electrónica 1s² 2s² 2p⁶. ¿Qué elemento formó este ion y cuál es su grupo y periodo en la tabla periódica? https://youtu.be/2Zi5CNXwaP4

Ejemplo 6. (a) La configuración electrónica de un átomo es [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d¹. ¿Qué elemento es y cuál es su grupo y periodo en la tabla periódica? (b) La configuración electrónica de un ion es [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁶. ¿Qué ion es y qué elemento lo formó? (c) El átomo con configuración electrónica [Ne] 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸ tiene número atómico 28. ¿Qué elemento es y en qué grupo y periodo se encuentra? https://youtu.be/4MaG_kPhsgM

(Brown et al., 2022) 1  Problema de muestra 6.7:  Dibuja el diagrama orbital para la configuración electrónica del oxígeno, número atómico 8. ¿Cuántos electrones desapareados posee un átomo de oxígeno? https://youtu.be/KiURKBajtJU

(Brown et al., 2022) 2  Problema de práctica 6.7:  ¿Cuántos de los elementos de la segunda fila de la tabla periódica (Li a Ne) tendrán al menos un electrón desapareado en sus configuraciones electrónicas? (a) 3 (b) 4 (c) 5 (d) 6 (e) 7 https://youtu.be/c4zrUkwcDS4

(Brown et al., 2022) 3  Problema 6.39:  ¿Cuál es la configuración electrónica condensada del Se? (a) [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ (b) [Ar] 4s² 4d¹⁰ 4p⁴ (c) [Ar] 4s² 5d¹⁰ 4p hecho https://youtu.be/k9JHLuN2Hlg

(Brown et al., 2022) 4  Problema 6.41. Escriba las configuraciones electrónicas condensadas de los siguientes átomos, utilizando las abreviaturas apropiadas del núcleo del gas noble: (a) Cs, (b) Ni, (c) Se, (d) Cd, (e) U, (f) Pb. https://youtu.be/EV4sC_Ovflk

(Brown et al., 2022) 5  Problema 6.42.  Identifica el elemento específico que corresponde a cada una de las siguientes configuraciones electrónicas e indica el número de electrones desapareados para cada una: (a) 1s² 2s² (b) 1s² 2s² 2p⁴ (c) [Ar] 4s¹ 3d⁵ (d) [Kr] 5s² 4d¹⁰ 5p⁴ https://youtu.be/3ESJIWfBUTk

(Brown et al., 2022) 6  Problema 6.43. Las siguientes no representan configuraciones electrónicas válidas para el estado fundamental de un átomo, ya sea porque violan el principio de exclusión de Pauli o porque los orbitales no se llenan en orden de energía creciente. Indica cuál de estos dos principios se viola en cada ejemplo: (a) [Ne] 3s² 3p⁶ 3d⁵ (b) [Xe] 6s³ (c) 1s² 3s¹ https://youtu.be/sYcUwf_iULo

(Brown et al., 2022) 7  Problema de muestra 6.8 :  ¿Cuál es la configuración electrónica de valencia característica de los elementos del grupo 17, los halógenos? https://youtu.be/S50ddRHhtp0

(Brown et al., 2022) 8  Problema de práctica 6.8 :   ¿Cuál grupo de elementos se caracteriza por tener una configuración electrónica ns²np² en la capa más externa ocupada? https://youtu.be/ri0bN7OtSOU

(Brown et al., 2022) 9  Problema de muestra 6.9 :  (a) Basándose en su posición en la tabla periódica, escriba la configuración electrónica condensada del bismuto, elemento 83. (b) ¿Cuántos electrones desapareados tiene un átomo de bismuto? https://youtu.be/ZJQvmf2K1v8

(Brown et al., 2022) 10  Problema de práctica 6.9 :  Un cierto átomo tiene una configuración electrónica [gas noble] 5s² 4d¹⁰ 5p⁴. ¿Qué elemento es? (a) Cd (b) Te (c) Sm (d) Hg (e) Se necesita más información. https://youtu.be/m_xQ7K8rMa0

(Burdge et al., 2022) 1  Problema de muestra 6.9:  Escribe la configuración electrónica y da el diagrama orbital de un átomo de calcio (Ca) (Z = 20). https://youtu.be/A9mlgCUUqFU

(Burdge et al., 2022) 2  Problema de práctica 6.9A:  Escribe la configuración electrónica y proporciona el diagrama orbital de un átomo de rubidio (Rb) (Z = 37). https://youtu.be/6AfZQobg9ng

(Burdge et al., 2022) 3  Problema de práctica 6.9B:  Escribe la configuración electrónica y proporciona el diagrama orbital de un átomo de bromo (Br) (Z = 35). https://youtu.be/O1cykcGWGKc

(Burdge et al., 2022) 4  Problema 6.8.1:  ¿Cuál de las siguientes configuraciones electrónicas representa correctamente al átomo de Ti? a) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴ b) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d² c) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ d) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ e) 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁴ https://youtu.be/6qmXP8FqvNY

(Burdge et al., 2022) 5  Problema 6.8.2:  ¿Qué elemento está representado por la siguiente configuración electrónica? 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ a) Br b) As c) S d) Se e) Te https://youtu.be/Krf8ClsL_SE

(Burdge et al., 2022) 6  Problema 6.8.3:  ¿Cuál diagrama orbital es correcto para el átomo de S en su estado fundamental?

https://youtu.be/QAGqIQecqy4

(Burdge et al., 2022) 7  Problema de muestra 6.10:  Escribe la configuración electrónica de un átomo de arsénico (Z = 33) en el estado fundamental. https://youtu.be/Kdh-t-dCaVs

(Burdge et al., 2022) 9  Problema de práctica 6.10B:   Sin referirte a la Figura 6.25, determina la identidad del elemento con la siguiente configuración electrónica: [Xe]6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁵ https://youtu.be/bnP9gP_bK5U

(Burdge et al., 2022) 10  Problema 6.9.1:  ¿Cuál de las siguientes configuraciones electrónicas representa correctamente al átomo de Ag? a) [Kr]5s²4d⁹ b) [Kr]5s²4d¹⁰ c) [Kr]5s¹4d¹⁰ d) [Xe]5s²4d⁹ e) [Xe]5s¹4d¹⁰ https://goo.su/Q02TD

(Burdge et al., 2022) 11  Problema 6.9.2:  ¿Qué elemento está representado por la siguiente configuración electrónica? [Kr]5s²4d¹⁰5p⁵ a) Tc b) Br c) I d) Xe e) Te https://youtu.be/T_JhbxUR5CE

(Burdge et al., 2022) 12  Problema 6.9.3 y 6.9.4:  ¿Cuál de los siguientes es un elemento del bloque d? (Selecciona todas las que correspondan) a) Sb b) Au c) Ca d) Zn e) U. ¿Cuál de los siguientes es un elemento del bloque p? (Selecciona todas las que correspondan) a) Pb b) C c) Sr d) Xe e) Na https://youtu.be/9ORbnj1hhEI

(Burdge et al., 2022) 14  Problema 6.1:  ¿Cuál es el núcleo de gas noble para Mo? (a) Ar (b) Kr (c) Xe (d) Ne (e) Rn https://goo.su/LkeX