Números cuánticos, orbitales y configuración electrónica

En el modelo atómico actual, los electrones no siguen órbitas fijas: se encuentran en orbitales, regiones del espacio donde la probabilidad de hallarlos es máxima. Para describir el «domicilio» de cada electrón se usan cuatro números cuánticos, y la forma en que los electrones se reparten entre los orbitales se llama configuración electrónica.

Los cuatro números cuánticos

Cada valor de $l$ corresponde a un subnivel con una letra:

Cada orbital admite como máximo 2 electrones, y el número máximo de electrones en un nivel es $2n^2$: 2 en el nivel 1, 8 en el nivel 2, 18 en el nivel 3 y 32 en el nivel 4.

Ejemplo: para $n = 3$, los valores de $l$ son 0, 1 y 2, es decir, el nivel 3 tiene los subniveles 3s, 3p y 3d.

Reglas para llenar los orbitales

1. Principio de Aufbau (de construcción): los electrones ocupan primero los orbitales de menor energía. El orden se obtiene con la regla de las diagonales.
2. Principio de exclusión de Pauli: en un orbital caben como máximo dos electrones, y deben tener espín opuesto ($\uparrow\downarrow$).
3. Regla de Hund (de máxima multiplicidad): en orbitales de la misma energía (por ejemplo, los tres orbitales p), los electrones se acomodan primero uno en cada orbital con el mismo espín y después se aparean.

Regla de las diagonales

Se escriben los subniveles por filas y se recorren siguiendo las flechas, de arriba hacia abajo:

El orden resultante es:

$$1s\;2s\;2p\;3s\;3p\;4s\;3d\;4p\;5s\;4d\;5p\;6s\;4f\;5d\;6p\;7s\;5f\;6d\;7p$$

Observa que el 4s se llena antes que el 3d, y el 6s antes que el 4f.

Cómo escribir una configuración electrónica

1. Busca el número atómico $Z$: es el número de electrones del átomo neutro.
2. Reparte los electrones siguiendo el orden de las diagonales sin pasar del máximo de cada subnivel (s = 2, p = 6, d = 10, f = 14).
3. Comprueba que la suma de los exponentes sea igual a $Z$.

Ejemplo 1: nitrógeno ($Z = 7$)

$$1s^2\,2s^2\,2p^3 \qquad (2 + 2 + 3 = 7)$$

Ejemplo 2: sodio ($Z = 11$)

$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$$

Ejemplo 3: hierro ($Z = 26$)

$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6$$

Ejemplo 4: bromo ($Z = 35$)

$$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^5$$

Configuración abreviada (con gas noble)

Los electrones internos se resumen con el símbolo del gas noble anterior entre corchetes:

• Sodio: $[\text{Ne}]\,3s^1$
• Hierro: $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^6$
• Bromo: $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^5$

Diagrama de orbitales

Cada orbital se dibuja como una caja y cada electrón como una flecha. Para el carbono ($Z = 6$, $1s^2\,2s^2\,2p^2$), según la regla de Hund, los dos electrones 2p quedan en orbitales distintos:

Para el oxígeno ($Z = 8$, $1s^2\,2s^2\,2p^4$), el cuarto electrón 2p se aparea en el primer orbital:

Números cuánticos del electrón diferencial

El electrón diferencial es el último que se acomoda. Sus números cuánticos se leen del último subnivel:

Ejemplo: en el oxígeno, el último electrón está en el 2p, en el primer orbital y con espín hacia abajo.

• $n = 2$ (nivel 2)
• $l = 1$ (subnivel p)
• $m = -1$ (los orbitales p se numeran $-1, 0, +1$ y el electrón está en el primero)
• $s = -\frac{1}{2}$ (por convención, la flecha hacia abajo)

Configuración electrónica y tabla periódica

La configuración indica dónde está el elemento en la tabla periódica:

• El nivel más alto ($n$ mayor) es el periodo.
• Los electrones de valencia (los del último nivel) indican el grupo en los elementos representativos.

Ejemplo: el azufre ($1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$) tiene su último nivel en $n = 3$ (periodo 3) con $2 + 4 = 6$ electrones de valencia (grupo VI A).

Comprueba lo aprendido

1. Escribe la configuración electrónica del calcio (Z = 20).Ver respuestaOcultar respuesta

$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2$, o en forma abreviada, $[\text{Ar}]\,4s^2$.

2. ¿Cuántos electrones caben como máximo en el nivel n = 3?Ver respuestaOcultar respuesta

$2n^2 = 2(3)^2 = 18$ electrones (2 en 3s, 6 en 3p y 10 en 3d).

3. ¿A qué periodo y grupo pertenece el elemento con configuración 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵?Ver respuestaOcultar respuesta

Periodo 3 y grupo VII A ($2 + 5 = 7$ electrones de valencia). Es el cloro.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios de configuración electrónica, enlaces y mol

Referencias

• Chang, R. y Goldsby, K. A. (2017). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill.
• Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J. y Woodward, P. M. (2014). Química, la ciencia central (12.ª ed.). Pearson Educación.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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