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Confi g ur aci ón el ectr óni ca
Configuración electrónica o configuración periódica Al Al referirnos a la configuración electrónica (o periódica) estamos hablando de la descripción descripción de la ubicación ubicación de los electrones en los distintos niveles (con subni veles y orbitales orbitales ) de un determinado átomo. Configurar significa "ordenar" o "acomodar", y electrónico deriva de "electrón"; así, configuración electrónica electrónica es la m anera ordenada de repartir los el ectrones ectrones en l os niveles niveles y subniveles subniveles de energía. Científicamente, Científicamente, diremos que es la representación del m odelo atómico de Schrödinger o modelo de la mecánica mecá nica cuántica cuántica . En En esta representación s e indican los niveles, subniveles y los orbitales qu e ocupan los electrones. Debem os acotar que aunque el m odelo de Schrödinger es exacto exacto sólo para el átomo de hidrógeno, hidrógeno, para otros otros átomos es aplicable el m ism o m odelo mediante aproximaciones muy buenas. Para comprender (visua (visua lizar lizar o graficar) el m apa de configuración electrónica electrónica (o periódica) es necesario revisar los siguientes conceptos. Modelo atómico general.
Los Números Cuánticos
En el contexto contexto de la m ecánica cuántica, cuántica, en la des cripción de un átomo s e sus tituy tituye e el concepto de órbita por el de orbital atómico. atómico. Un orbital orbital atómico es la región del es pacio alrededor del núcleo en el que la probabilid ad de encontrar un electrón es máxima. La solución m atemática de la ecuación ecuación de Schrödinger precisa precisa de tres núm eros cuánticos. Cada trío trío de valores valores de es tos núm eros des cribe un orbital. Número cuántico principal (n): puede (n): puede tomar valores enteros (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) y coincide con el mis mo núm ero cuántico cuántico introducido introducido por Bohr . Está relacionado con la distancia promedio del electrón al núcleo e n un determi nado orbital y, por tanto, con el tama ño de este e indica el nivel nivel de energía. Número cuántico secundario (l): Los (l): Los niveles niveles de energía, identificados identificados con el número cuántico principal (n) , poseen subniveles, subniveles, los cuales se asocian, además además , a la forma del Número cuántico principal (n).
orbital, y son identificados identificados por el númer o cuántico sec undario (l) . Entonces, los valores del número cuántico secundario dependen del número cuántico principal "n".
Así, Así, la cantidad de s ubniveles de energía que po s ea cada nivel principa l está es tá dada por la fórmu la n – 1 (el valor valor del núm ero cuántico principal principal meno s uno). Este núm ero cuántico secundario (l) nos i ndica en que s ubnivel ubnivel s e encuentra el electrón, electrón, y toma valores desd e 0 has ta (n 1), recordando recordando que n es el valor del núm ero cuántico principal. Así, 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 nivel de energía energía 1 no hay subn iveles iveles de energía, y para efectos efectos de comprens ión se cons idera este nivel nivel 1 como s ubnivel ubnivel 0) Si n = 2
(n -1 = 1), entonces
l = 0, 1. El nivel 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 nivel de energía energía 3 posee tres subniveles, identificados como 0, 1 y 2
Si n = 4
(n – 1 = 3), entonces l = 0, 1, 2, 3. El El nivel nivel de energía energía 4 posee cuatro cuatro subnoiveles, identificados identificados com o 0, 1, 2 y 3
Si n = 5
(n – 1 = 4), entonces l = 0, 1, 2, 3, 4. El nivel nivel de energía energía 5 posee cinco subnoveles subnoveles , identificados como 0, 1, 2, 3 y
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4 También para efectos de comprens ión, la comunidad científica ha aceptado que los núm eros que repres entan los subn iveles (0, 1, 2, y 3) sean reemplazados por las letras s , p, d y f, respectivam ente, para representar los distintos tipos de orbitales. Estas letras se optiene de la inicial de las palabras sharp (s), principal (p), difuso (d) y fundame ntal (f) . Cada s ubnivel, a su vez, posee dis tinta cantidad de orbitales, lo cual veremo s m ás ade lante. Ahora, con respecto a la forma del orbi tal de estos subniveles , el número cuántico se cundario (o azim utal) determina laexcentricidad de la órbita: cuanto mayor sea es te número, más excéntrica será la órbita; es decir, será más aplanada la elips e que recorre el electrón. Así, en el nivel 1 (o capa K) el valor del ni vel (identificado com o sub nivel 0) es cero (no hay excentricidad) y su órbita es circular . Cada vez que aum enta el valor del núme ro cuántico secundario (o azimutal) aum enta la excentricidad de la órbita, como s e dem uestra en el siguiente gráfico:
Número cuántico magnético (ml): puede tener todos lo s valores desd e – l hasta + l pasa ndo por cero. Des cribe la orientación espacial del orbital e indica el número de orbitales pres entes en un subni vel determinado. Para explicar determi nadas características de los espectros de em is ión se cons ideró que los electrones podían girar en torno a un eje propio, bien en el s entido de las agujas del reloj o en el s entido contrario. Para caracterizar esta doble posibilidad se introdujo el número cuántico de espín (ms) que toma los valores d e + ½ o – ½.. Para entender el concepto de configuración electrónica es necesario asumir o aplicar dos principios im portantes: • Principio de Incertidumbre de Heisenberg : “Es impos ible determinar sim ultáneamente la posi ción exacta y el mom ento exacto del electrón” .
• Principio de Exclusión de Pauli : “Dos electrones del mis mo átomo no pueden tener los m ism os núm eros cuánticos idénticos y por lo tanto un orbital no puede tener m ás de dos electrones”.
Tipos de configuración electrónica Para graficar la configuración electrónica existen cuatro modalidades, con mayor o menor complejidad de com prensión, que son: www.profesorenlinea.cl/Quimica/Configuracion_electronica.html
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Configuración estándar Se representa la configuración electrónica que s e obtiene usando elcuadro de las diagonales (una de sus formas gráficas se mues tra en la im agen de la derecha). Es im portante recordar que los orbitales s e van llenando en el orden en que aparecen, siguiendo esas diagonales, empezando siem pre por el 1s. Aplican do el m encionado cuadro de las di agonales la configuración electrónica estándar, para cualquier átom o, es la siguiente:
Cuadro de las diagonales, mecanismo para distribuir electrones en sus diferentes niveles de energía. 1s 2
2s 2
2p6
3s 2
3p6
4s 2
3d10
4p6
5s 2
4d10
5p6
6s 2
4f 14
5d10
6p6
7s 2
5f 14
6d10
7p6
Más adelante explicaremos cómo s e llega este enjam bre de números y letras que perturba inicialmente, pero que es de una simpleza sorprendente. Configuración c ondensada Los niveles que aparecen llenos en la configuración estándar se pueden representar con un gas noble (elem ento del grupo VIII A,Tabla Periódica de los elementos ), donde el número atómico del gas coincida con el número de electrones que llenaron el últim o nivel. Los gases nobles son He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn.
Configuración desarrollada Cons is te en representar todos los electrones de un átomo em pleando flechas para sim bolizar el spin de cada uno. El llenado s e realiza respetando el principio de exclusi ón de Pauli y la Regla de m áxima m ultiplicidad de Hund.
Configuración semidesarrollada Esta representación es una com binación entre la configuración condensada y la configuración desarrollada. En ella só lo se representan los e lectrones d el último nivel de energía.
Niveles de energía o capas Si repasamos o recordamos los diferentes modelos atómicos verem os que en esencia un átomo es parecido a un sis tema planetario. El núcleo sería la estrella y los electrones serían los pl anetas que la circundan, girando eso s í (los electrones) en órbitas abs olutamente no definidas, tanto que no s e puede determinar ni el tiem po ni el lugar para ubicar un electrón ( Principio de Incertidumbre de Heisenberg ). Los el ectrones tienen, al girar, distintos niveles d e energía según la órbita (en el átom o se lla ma capa o nivel) que ocupen, más cercana o más lejana del núcleo. Entre más alejada del núcleo, mayor nivel de Figura de un átomo sencillo ilustrando lo www.profesorenlinea.cl/Quimica/Configuracion_electronica.html
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indefinido de sus órbitas.
energía en la órbita, por la tendencia a intercambia r o ceder electrones desde las capas más alejadas.
Entendido el tema de las capas, y sabi endo 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 si tuarse los electrones para girar alrededor del núcleo, nume rados del 1, el más interno o más cercano al núcleo (el que tiene m enor nivel de energía), al 7, el más externo o más al ejado del núcleo (el que tiene m ayor nivel de energía). Estos niveles de energía corresponden al núm ero cuántico principal (n) y adem ás de num erarlos de 1 a 7, también s e us an 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 s us electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden s er de cuatro tipos: s, p, d, f .
Ilustración para los niveles y subniveles de ene rgía e lectrónica e n el átomo
Imágenes tomadas de la página: http://configraelectrones-mvc.blogspot.com/
Para determin ar la configuración electrónica de un elemento sólo ha y que sab er cuantos el ectrones deb emos acomodar y dis tribuir en los s ubniveles em pezando con los de m enor energía e ir llenando hasta que todos los electrones es tén ubicados donde les corresponde. Recordemos que partiendo desde el subnivel s, hacia p, d o f se aum enta el nivel de energía. 3. En cada subn ivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como m áximo , 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 núm ero máximo de electrones que admite cada s ubnivel es : 2 en el s; 6 en el p (2 e lectrones x 3 orbitales ); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7).. La distribución de niveles , subniveles, orbitales y núme ro de electrones pos ibles en ell os s e resum e, para las 4 prim era www.profesorenlinea.cl/Quimica/Configuracion_electronica.html
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capas, en la siguien te tabla: 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 ca da subnivel
1
1 3
1 3 5
1 3 5 7
1s
2s 2p
3s 3p 3d
2
2 - 6
2 - 6 - 10
2 - 6 - 10 - 14
2
8
18
32
Niveles de energía o capa (n)
Denominación de los orbitales Número máximo de electrones en los orbitales Número máximo de electrones por nivel de energía o capa
4s 4p 4d 4f
Insis tiendo 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 ni veles y subniveles por orden de energía creciente (partiendo des de el más cercano al núcleo) hasta completarlos . Recordemos que alrededor del núcleo puede haber un máxim o de siete capas atómicas o niveles de energía donde giran los e lectrones, y cada capa tiene un número lim itado de ellos. La forma en que se comp letan los niveles , subniveles y orbitales es tá dada por la secuencia que se grafica en el esquem a conocido como regla de las diagonales : Es im portante saber cuantos electrones existen en el nivel m ás externo de un átomo pues son los que intervienen en los enlaces con otros átomos para formar compuestos. Regla de las diagonales Sirve para determi nar el m apa de configuración electrónica (o periódica) de un elemento. En otras palab ras, 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 esquem a de la derecha, comenzando en 1s; siguiendo la flecha podremo s ir comple tando los orbitales con los electrones en forma correcta. En una configuración estándar, y de acuerdo a la s ecuencia segui da en el grafico de las diag onales , el orden de construcción para la configuración electrónica (para cualquier elemen to) es el sigu iente:
1s 2
2s 2
2p6
3s 2
3p6
4s 2
3d10
4p6
5s 2
4d10
5p6
6s 2
4f 14
5d10
6p6
7s 2
5f 14
6d10
7p6
Los valores que se encuentran como superíndices indi can la cantidad máxima de electrones que puede haber en cada subn ivel (colocando sólo dos en cada orbital de los s ubniveles ). Ver: PSU: Química, Pregunta 03_2005 Pregunta 07_2006
La Tabla Periódica, punto de partida En la tabla periódica, entre los datos que encontramos d e cada uno de los elem entos se hallan elNúmero atómico y la Estructura electrónica o Distribución de electrones en niveles. www.profesorenlinea.cl/Quimica/Configuracion_electronica.html
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El Número atóm ico nos indi ca la cantidad de electrones y de protones q ue tiene un elemento. La Estructura electrónica o Distribución de electrones en niveles ind ica cómo s e El sodio en la tabla.
distribuyen los electrones en los d istintos niveles de energía de un átomo (lo que vimos más arriba con la regla de las diagonales ).
Pero, si no tengo la tabla periódica para s aber cuantos electrones tengo en cada nivel, ¿cómo pue do hacer para averiguarlo? Ya vimo que la regla de las diagonales ofrece un medio s encillo para realizar dicho cálculo. Para escribir la configuración electrónica de un átomo e s neces ario: Saber el número de electrones que tiene el átomo ; para ello basta conocer el número atómico (Z) del átomo en la tabla periódica. Recuerda que el número de electrones en un átomo n eutro es igual al núm ero atómico (Z). Ubicar los electrones en cada uno de lo s ni veles de energía, comen zando des de el nivel más cercano al núcleo (nivel 1). Res petar la capacidad m áxima de cada s ubnivel (s = 2e-, p = 6e-, d = 10e- y f = 14e-). Supongamo s que tenemos que averiguar la Distribución electrónica en el elemento sodi o, que como s u número atómi co indica tiene 11 electrones, los pasos son m uy sencillos: debemos seguir las diagonales, como s e representan más arriba. En el ejemplo del s odio sería: 1s 2, como siguiendo la diagonal no tengo nada bus co la sigui ente diagonal y tengo 2s 2, com o siguien do la diagonal no tengo nada busco la sig uiente diagonal y tengo 2p 6, siguiendo la diagonal tengo 3s 2. Siempre debo ir sum ando los s uperíndices, que me indican la cantidad de electrones. Si sum o los s uperíndices del ejem plo, obtengo 12, quiere decir que tengo un electrón de má s, ya que m i sum a para ser correcta debe dar 11, por lo que al final debería corregir para que me q uedara 3s 1 . Por lo tanto, para el sodio (11 electrones), el resultado
Ilustración simplificada de un átomo.
es: 1s 2 2s 2 2p6 3s 1
Primer nivel: 2 electrones (los 2 en s ubnivel s , en un orbital); Segundo nivel: 8 electrones (2 en s ubnivel s , en un orbital, y 6 en s ubnivel p, con 2 en cada uno de s us 3 orbitales); tercer nivel: 1 electrón (ubicado e n el subni vel s , en un orbital). ; En la tabla periódica podemos leer, respecto al sodio: 2 - 8 - 1 Otros ejem plos: CLORO: 17 electrones
MANGANESO: 25 electrones
1s 2 2s2 2p6 3s2 3p5
1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5
1º nivel: 2 electrones 2º nivel: 8 electrones 3º nivel: 7 electrones
1º nivel: 2 electrones 2º nivel: 8 electrones 3º nivel: 13 electrones
En la tabla periódica podemos leer: 2 - 8 - 7
4º nivel: 2 electrones En la tabla periódica podemos leer: 2 - 8 - 13 – 2
El superíndice es el número de electrones de cada subnivel (recordando siempre que en cada orbital del subnivel caben solo dos electrones). www.profesorenlinea.cl/Quimica/Configuracion_electronica.html
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El Núme ro máximo de electrones por nivel es 2(n) 2 (donde n es la cantidad de su bniveles que tiene cada nivel). Hagamos un ejercicio: Supongamos que deseamos conocer la configuración el ectrónica de la plata, que tiene 47 electrones . Por lo ya aprendido, sabem os que e l orden de energía de los orbitales es 1s , 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, etc. En cada s ubnivel s (que tienen sólo un orbital) cabrán dos electrones. En cada s ubnivel p (que tienen 3 orbitales ) cabrán 6 electrones.
Ilustración más compleja y más realista de la es tructura de un átomo.
En cada s ubnivel d (que tienen 5 orbitales ) cabrán 10 electrones. En cada s ubnivel f (que tienen 7 orbitales ) cabrán 14 electrones.
Siguiendo es ta regla debemos colocar los 47 electrones del átom o de plata, la cual debe quedar as í:: 1s 2, 2s2 , 2p6, 3s2, 3p6 , 4s2, 3d10 , 4p6 , 5s2, 4d9 donde sólo s e han puesto 9 electrones en los orbitales d (que son cinco) de la capa cuarta para completar, sin pas arse, los 47 electrones de la plata. Recomendamos ver un video clarificador y explicativo en: http://www.youtube.com/watch?v=hbn08dHJfGc En él s e aclara o explica cómo determinar la configuración electrónica de un átomo o de un i ón: 1.- Conocer su número atómico (sacado de la tabla periódica). 2.- La carga (del átom o o del ión) está dada por número de protones m enos (–) núm ero de electrones. 3.- El número de protones es i gual al núm ero atómico del elemento (átomo o ión). 4.- En cada átomo h ay (en estado eléctrico neutro) igual núm ero de protones que de electrones. Por ejempl o, el ión Mg +2 (magnesio m ás dos), averiguamos o sabemos que su número atómico (Z) es 12, significa que tiene 12 protones y debería tener 12 electrones, pero com o el ión d e nues tro ejemplo (Mg +2 ) tiene carga +2 (porque perdió o cedió 2 electrones), hacemos 12 (protones ) –
X =
2
Por lo tanto X (número d e electrones del ión Mg +2 ) es igual a 10, El ión Mg +2 tiene 10 electrones. ¿Cómo se determina s u configuración electrónica o lo que es lo m ism o cómo s e distribuyen esos electrones en los orbitales del átomo? Empezamos por el nivel inferior (el más cercano al núcleo): 1, que sólo tiene un orbital s, y sabe mos que cada orbital tiene como m áximo 2 electrones (1s 2). Pasam os al s egundo nivel, el 2, en el cual encontram os orbitales s (uno) y orbitales p (tres) (2s y 2p 2p 2p). En 2s ha y sólo 2 electrones: 2s 2 y en cada 2p hay dos electrones: 1s 2 2s 2 2p6 (este 2p 6 es los mis mo que 2p2 + 2p2 + 2p 2= 2p6 ) www.profesorenlinea.cl/Quimica/Configuracion_electronica.html
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Otro ejemplo: Configuración electrónica del fósforo (P) Nº atómi co Z = 15 15 protones y 15 electrones 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 Relación de la Configuración electrónica con la Tabla Periódica De m odo inverso, si tenem os o conocem os la configuración electrónica de un elemento podem os predecir exactamente el número atómico, el grupo y el período en que se e ncuentra el elemento en la tabla periódica. Por ejemplo, s i la configuración electrónica de un elemen to es 1s 2 2s 2 2p6 3s 2 3p5, podemos hacer el siguiente análisis: Para un átomo la s uma total de los electrones es igual al núm ero de protones ; es decir, corresponde a su número atómico, que en este caso es 17. El período en que se ubica el eleme nto está dado por el máximo nivel energético de la configuración, en este caso corres ponde al período 3, y el grupo está dado por la suma de los electrones en los subniveles s y p del últim o nivel; es decir, corresponde al grupo 7. Ver: PSU: Química; Pregunta 03_2005(Química 2) Pregunta 07_2006
Fuentes Internet: http://payala.mayo.uson.mx/QOnline/CONFIGURACION_ELECTRONICA.html http://eluniversodelaquimica.blogspot.com/ http://iiquimica.blogspot.com/2006/03/configuracin-electrnica.html http://personal2.iddeo.es/romeroa/latabla/configuracion.htm http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/celectron.htm
Es propiedad: www.profesorenlinea.cl
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