La configuración electrónica
Lo que vas a aprender
- Escribir la configuración electrónica de un elemento con Z hasta 36 siguiendo el orden del diagrama de Moeller.
- Comprobar una configuración sumando sus electrones y verificando que la suma es igual a Z.
- Reconocer cuántos electrones caben en cada subnivel (s, p, d) y en cada nivel.
- Contar los electrones de valencia de un elemento de los bloques s y p a partir de su configuración.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
El sodio es un metal tan reactivo que se guarda bajo aceite para que no reaccione con el aire. El neón, en cambio, casi no reacciona con nada: por eso se usa en los avisos luminosos. Entre los dos solo hay un protón de diferencia. ¿Cómo puede un protón más cambiar tanto el comportamiento de un elemento?
La respuesta está en cómo se reparten los electrones alrededor del núcleo. Esa distribución, que se escribe con la configuración electrónica, decide con qué se une un átomo, cuántos electrones gana o pierde y qué compuestos forma. Es la base de todo lo que viene en el curso: la tabla periódica, los enlaces y las reacciones.
Antes de empezar recuerda que el número atómico Z es el número de protones del núcleo, y que en un átomo neutro hay tantos electrones como protones.
Explicación
Niveles, subniveles y orbitales
En el modelo actual, los electrones no giran en órbitas fijas como planetas. Ocupan niveles de energía, que se numeran con $n = 1, 2, 3, \ldots$ desde el más cercano al núcleo. Un electrón del nivel 1 está, en promedio, más cerca del núcleo y más fuertemente atraído que uno del nivel 4.
Cada nivel se divide en subniveles, que se nombran con letras:
- el subnivel s tiene 1 orbital;
- el subnivel p tiene 3 orbitales;
- el subnivel d tiene 5 orbitales;
- el subnivel f tiene 7 orbitales.
En cada orbital caben como máximo dos electrones. Por eso la capacidad de cada subnivel es el doble de sus orbitales: s admite 2 electrones, p admite 6, d admite 10 y f admite 14.
No todos los niveles tienen todos los subniveles. El nivel 1 solo tiene el subnivel 1s. El nivel 2 tiene 2s y 2p. El nivel 3 tiene 3s, 3p y 3d. A partir del nivel 4 aparecen los cuatro tipos: 4s, 4p, 4d y 4f. Sumando las capacidades, en el nivel 1 caben 2 electrones, en el 2 caben 8 y en el 3 caben 18.
Cómo se escribe una configuración
La configuración electrónica es una lista de subniveles ocupados. Cada uno se escribe con el número del nivel, la letra del subnivel y, como superíndice, cuántos electrones tiene. Por ejemplo, 2p⁴ quiere decir «en el subnivel p del nivel 2 hay cuatro electrones».
El carbono tiene Z = 6, es decir, seis electrones. Su configuración es 1s² 2s² 2p². Una configuración siempre se puede revisar: la suma de los superíndices tiene que dar Z.
El orden de llenado: el diagrama de Moeller
Los electrones ocupan primero los subniveles de menor energía. Lo curioso es que ese orden no es el de los niveles uno detrás del otro. A partir del nivel 3 los subniveles se intercalan: el 4s tiene menos energía que el 3d, así que se llena antes.
El diagrama de Moeller es una forma de recordar el orden. Se escriben los subniveles en filas, uno por nivel, y se recorren con flechas diagonales, de arriba a la derecha hacia abajo a la izquierda:
| Fila | Subniveles |
|---|---|
| Nivel 1 | 1s |
| Nivel 2 | 2s 2p |
| Nivel 3 | 3s 3p 3d |
| Nivel 4 | 4s 4p 4d 4f |
| Nivel 5 | 5s 5p 5d 5f |
Siguiendo las diagonales, el orden hasta el kriptón (Z = 36) es:
$$1s \to 2s \to 2p \to 3s \to 3p \to 4s \to 3d \to 4p$$
Para escribir una configuración, se recorre esta lista llenando cada subnivel hasta su capacidad. Cuando quedan menos electrones de los que caben, el último subnivel queda incompleto, y ahí se termina.
En muchos libros, después de llenar, la configuración se reordena por niveles (el 3d antes del 4s). Las dos formas describen el mismo átomo; en este curso la escribimos en el orden de llenado, que es el que se usa para construirla.
Dos excepciones que conviene conocer
El diagrama acierta en casi todos los elementos hasta Z = 36, pero hay dos que se apartan. Según las mediciones, el cromo (Z = 24) termina en 4s¹ 3d⁵ y no en 4s² 3d⁴, como predice el diagrama; y el cobre (Z = 29) termina en 4s¹ 3d¹⁰ y no en 4s² 3d⁹. Un subnivel d a medio llenar o lleno resulta especialmente estable, y el átomo queda como si un electrón del 4s hubiera pasado al 3d. En los ejercicios de esta lección no se usan estos dos elementos.
La forma abreviada
Las configuraciones largas se acortan con el gas noble anterior entre corchetes, que reemplaza todos sus electrones. El neón (Z = 10) es 1s² 2s² 2p⁶, así que el sodio (Z = 11) se puede escribir [Ne] 3s¹. El argón (Z = 18) termina en 3p⁶, y el potasio se escribe [Ar] 4s¹.
Los electrones de valencia
Los electrones del último nivel ocupado (el de mayor número n) son los más alejados del núcleo y los que participan en las uniones con otros átomos. En los elementos de los bloques s y p se llaman electrones de valencia. Para contarlos se suman los electrones de los subniveles s y p de ese último nivel.
Ojo: el último subnivel que se escribe no siempre es del último nivel. En el bromo la configuración termina en 3d¹⁰ 4p⁵, y el 3d pertenece al nivel 3: no cuenta como valencia. En los metales de transición, como el hierro, los electrones 3d sí intervienen en las uniones, y contar su valencia es más delicado; en este curso contamos electrones de valencia solo en los bloques s y p.
Ejemplo resuelto
La configuración del azufre
Escribe la configuración electrónica del azufre (Z = 16) y cuenta sus electrones de valencia.
Ver la solución paso a paso
Recorremos el orden de llenado: 1s admite 2, 2s admite 2, 2p admite 6 y 3s admite 2. Hasta ahí van 12 electrones; los que faltan van al 3p, que admite hasta 6, así que queda incompleto: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴.
En la tabla periódica, el azufre tiene Z = 16:
$$Z(\mathrm{S}) = 16$$
Comprobamos que los superíndices suman Z:
$$2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16$$
El último nivel ocupado es el 3, con los subniveles 3s y 3p. Sus electrones son los de valencia:
$$2 + 4 = 6$$
Respuesta: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴, con 6 electrones de valencia.
Ejemplo resuelto
El potasio y el 4s antes del 3d
Escribe la configuración electrónica del potasio (Z = 19).
Ver la solución paso a paso
Hasta el 3p⁶ van los mismos subniveles llenos que en el argón: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, que suman 18 electrones.
Falta un electrón. El siguiente subnivel en el orden de Moeller no es el 3d sino el 4s, que tiene menos energía. Ahí va el último electrón: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹.
En la tabla periódica, el potasio tiene Z = 19:
$$Z(\mathrm{K}) = 19$$
Comprobamos la suma:
$$2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 = 19$$
El último nivel ocupado es el 4, y en él hay un solo electrón: el potasio tiene 1 electrón de valencia, como el sodio. En forma abreviada: [Ar] 4s¹.
Respuesta: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹, o [Ar] 4s¹.
Ejemplo resuelto
El bromo, con el 3d en el medio
Escribe la configuración electrónica del bromo (Z = 35) y cuenta sus electrones de valencia.
Ver la solución paso a paso
Llenamos en orden 1s, 2s, 2p, 3s, 3p y 4s, que suman 20 electrones. Después viene el 3d, que se llena con 10. Los electrones restantes van al 4p: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵.
En la tabla periódica, el bromo tiene Z = 35:
$$Z(\mathrm{Br}) = 35$$
Comprobamos que la suma da Z:
$$2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 5 = 35$$
El último nivel ocupado es el 4: sus subniveles son 4s y 4p. El 3d se escribe después del 4s, pero es del nivel 3, así que no cuenta:
$$2 + 5 = 7$$
El bromo tiene 7 electrones de valencia, igual que el cloro, que está encima de él en la tabla.
Respuesta: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵, con 7 electrones de valencia (4s² 4p⁵).
Práctica
¿Cuántos electrones caben como máximo en un subnivel d?
El subnivel d tiene 5 orbitales y en cada uno caben 2 electrones: 5 × 2 = 10.
¿Cuántos electrones caben como máximo en el nivel 3?
El nivel 3 tiene los subniveles 3s, 3p y 3d, que admiten 2, 6 y 10 electrones: 2 + 6 + 10 = 18.
¿Qué subnivel se llena inmediatamente después del 4s?
En el diagrama de Moeller el orden es … 3p → 4s → 3d → 4p. El 3d tiene menos energía que el 4p, así que se llena antes que él.
El nitrógeno tiene Z = 7. ¿Cuántos electrones de valencia tiene?
Su configuración es 1s² 2s² 2p³. El nivel 1 se queda con 2 electrones y los demás están en el nivel 2, el último: 2s² 2p³ suman 5.
El fósforo tiene Z = 15. ¿Cuántos electrones hay en su subnivel 3p?
Antes del 3p se llenan 1s², 2s², 2p⁶ y 3s², que suman 12. Quedan 15 − 12 = 3 para el 3p: la configuración es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.
En la configuración del calcio (Z = 20), ¿cuántos electrones hay en el subnivel 4s?
Hasta el 3p⁶ van 18 electrones. Los 2 restantes van al 4s, no al 3d: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s².
¿Cuál es el número atómico del elemento cuya configuración es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p²?
En un átomo neutro, Z es el total de electrones: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 2 = 32. Es el germanio. Si olvidas los 10 del 3d te da 22.
¿Verdadero o falso? La configuración 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ corresponde a un átomo neutro con Z = 17.
Los superíndices suman 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17. Es el cloro, con 7 electrones de valencia (3s² 3p⁵).
¿Verdadero o falso? Un átomo neutro con configuración 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ tiene Z = 20.
La suma es 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 = 19: es el potasio. El calcio, con Z = 20, termina en 4s².
El selenio tiene Z = 34. Si los niveles 1, 2 y 3 están completos, ¿cuántos electrones de valencia tiene?
Los niveles 1, 2 y 3 llenos tienen 2 + 8 + 18 = 28 electrones (el nivel 3 incluye el 3d¹⁰). Quedan 34 − 28 = 6 en el nivel 4: 4s² 4p⁴.
¿Por qué el electrón número 19 del potasio va al subnivel 4s y no al 3d?
El 3d sí existe y en el potasio está vacío: el nivel 3 solo tiene 8 electrones. El electrón va al 4s porque ese subnivel tiene menos energía que el 3d. La de que los s siempre se llenan antes que todos los d exagera: el 5s, por ejemplo, se llena después del 3d.
Reto
Completa la configuración del cloro.
El cloro tiene Z = 17. Llena los subniveles en orden: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p.
Reto
Abre el candado de los electrones.
Cada respuesta es una cifra del código. Escribe la configuración en tu cuaderno y cuenta.
Reto
El crucigrama de la configuración.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
Los electrones ocupan niveles (n = 1, 2, 3…) divididos en subniveles s, p, d y f, que admiten 2, 6, 10 y 14 electrones.
Los subniveles se llenan en orden de energía, que da el diagrama de Moeller; el 4s se llena antes que el 3d.
En un átomo neutro, la suma de los superíndices de la configuración es igual a Z.
En los bloques s y p, los electrones de valencia son los del último nivel ocupado; el 3d no cuenta aunque se escriba después del 4s.
El cromo y el cobre se apartan del diagrama, porque un subnivel d a medio llenar o lleno es más estable.
Vocabulario
- Nivel de energía
Cada una de las capas en que se organizan los electrones alrededor del núcleo. Se numeran n = 1, 2, 3… desde la más cercana al núcleo.
- Subnivel
Cada una de las partes en que se divide un nivel. Se nombran con las letras s, p, d y f.
- Orbital
Región alrededor del núcleo donde es muy probable encontrar un electrón. En cada orbital caben como máximo dos electrones.
- Configuración electrónica
La lista de los subniveles ocupados de un átomo, con el número de electrones de cada uno escrito como superíndice.
- Diagrama de Moeller
Esquema de diagonales que da el orden en que se llenan los subniveles.
- Electrones de valencia
En los elementos de los bloques s y p, los electrones del último nivel ocupado, el de mayor número n.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Plantee la pregunta del sodio y el neón: un protón de diferencia y un comportamiento opuesto. Recoja hipótesis sin corregirlas.
- Explicación · 20 min — Niveles, subniveles y capacidades; construya el diagrama de Moeller en el tablero con los estudiantes y resuelva el azufre y el potasio. Insista en comprobar sumando los superíndices.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas; el candado y los huecos se pueden proyectar. Pida que cada pareja escriba en el cuaderno la configuración completa antes de responder.
- Cierre · 5 min — Cada estudiante escribe la configuración de un elemento con Z entre 20 y 36, salvo el cromo (24) y el cobre (29), que no haya salido en clase y se la pasa al compañero para que la compruebe sumando.
Preguntas para el salón
- Si el 4s se llena antes que el 3d, ¿por qué hay libros que escriben el 3d antes del 4s?
- ¿Qué tienen en común las configuraciones del litio, el sodio y el potasio?
- ¿Cómo saben si una configuración que les dicta un compañero está bien sin mirar la tabla?
Errores típicos
- Llenar el 3d antes que el 4s (escribir 3d¹ para el potasio). Vuelva al diagrama de Moeller y pida que tachen cada subnivel a medida que lo llenan.
- Contar como valencia los electrones del último subnivel escrito (el 3d¹⁰ del bromo). Pida que subrayen todos los subniveles del número de nivel más alto y sumen solo esos.
- Pasarse de la capacidad de un subnivel (2p⁸, 3s³). Recuerde que cada orbital admite 2 electrones y pida multiplicar: s tiene 1 orbital, p tiene 3, d tiene 5.
Tarea sugerida
Escribir la configuración completa y la abreviada del silicio (Z = 14), el argón (Z = 18), el escandio (Z = 21) y el kriptón (Z = 36), comprobar cada una sumando los superíndices y señalar los electrones del último nivel.