7.15: Configuración Electrónica de los Átomos Multieléctron

El metal alcalino sodio (número atómico 11) tiene un electrón más que el átomo de neón. Este electrón debe entrar en la subcapa de menor energía disponible, el orbital 3s, resultando en una configuración 1s²2s²2p⁶3s¹. Los electrones que ocupan los orbitales de la capa más externa (el valor más alto de n) se llaman electrones de valencia, y aquellos que ocupan los orbitales de la capa interna se llaman electrones centrales. Dado que las capas de los electrones centrales corresponden a configuraciones electrónicas de gas noble, podemos abreviar las configuraciones electrónicas escribiendo el gas noble que coincide con la configuración de los electrones centrales, junto con los electrones de valencia en un formato condensado. Para el sodio, el símbolo [Ne] representa los electrones centrales, (1s²2s²2p⁶), y la configuración abreviada o condensada es [NE]3s¹.

De manera similar, la configuración abreviada del litio puede representarse como [He]2s¹, donde [He] representa la configuración del átomo de helio, que es idéntica a la de la capa interna llena del litio. Escribir las configuraciones de esta manera enfatiza la similitud de las configuraciones del litio y el sodio. Ambos átomos, que están en la familia de los metales alcalinos, tienen sólo un electrón en una subcapa de valencia, s, fuera de un conjunto de capas internas llenas.

Li: [He] 2s¹

Na: [NE] 3s¹

El metal alcalinotérreo magnesio (número atómico 12), con sus 12 electrones en una configuración [Ne]3s², es análogo al miembro de su familia berilio, [He]2s². Ambos átomos tienen una subcapa s llena fuera de sus capas internas llenas. El aluminio (número atómico 13), con 13 electrones y la configuración electrónica [Ne]3s²3p¹, es análogo al miembro de su familia boro, [He]2s²2p¹.

Las configuraciones electrónicas de silicio (14 electrones), fósforo (15 electrones), azufre (16 electrones), cloro (17 electrones) y argón (18 electrones) son análogas en las configuraciones electrónicas de sus capas externas a sus correspondientes miembros de la familia carbono, nitrógeno, oxígeno, flúor y neón, respectivamente, excepto que el número cuántico principal de la capa externa de los elementos más pesados ha aumentado en uno a n = 3.

Cuando llegamos al siguiente elemento en la tabla periódica, el metal alcalino potasio (número atómico 19), podríamos esperar comenzar a agregar electrones a la subcapa 3d. Sin embargo, toda la evidencia química y física disponible indica que el potasio es como el litio y el sodio, y que el próximo electrón no se añade al nivel 3d, sino que se añade al nivel 4s. Como se discutió anteriormente, el orbital 3d sin nodos radiales tiene mayor energía porque es menos penetrante y está más protegido del núcleo que el 4s, que tiene tres nodos radiales. Así, el potasio tiene una configuración electrónica de [Ar]4s¹. Por lo tanto, el potasio coincide con el Li y el Na en su configuración de capa de valencia. El siguiente electrón se añade para completar la subcapa 4s y el calcio tiene una configuración electrónica de [Ar] 4s². Esto proporciona al calcio una configuración electrónica de la capa externa que coincide con la del berilio y el magnesio.

En el caso del Cr y el Cu, encontramos que las subcapas medio llenas y completamente llenas aparentemente representan condiciones de estabilidad preferida. Esta estabilidad es tal que el electrón se desplaza del orbital 4s al orbital 3d para obtener la estabilidad adicional de una subcapa 3d medio llena (en Cr) o de una subcapa 3d llena (en Cu). También se producen otras excepciones. Por ejemplo, se prevé que el niobio (Nb, número atómico 41) tenga la configuración electrónica [Kr]5s²4d³. Experimentalmente, observamos que su configuración electrónica en estado fundamental es realmente [Kr]5s¹4d ⁴. Podemos racionalizar esta observación diciendo que las repulsiones electrón-electrón experimentadas por aparear los electrones en el orbital 5s son mayores que la brecha en energía entre los orbitales 5s y 4d. No hay un método simple para predecir las excepciones para los átomos donde la magnitud de las repulsiones entre electrones es mayor que las pequeñas diferencias en energía entre subcapas.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 6.4: Estructura Electrónica de los Átomos.

El principio de exclusión de Pauli, la regla de Hund de máxima multiplicidad, y el principio aufbau se puede ampliar para contemplar la configuración del electrón de cualquier elemento. Considere escribir la configuración del electrón del sodio. La distribución central de electrones en el sodio es exactamente la del elemento anterior, el neón.

El único electrón de valencia ocupa el orbital 3s. El neón pertenece a la decimoctava columna de la tabla periódica de los gases nobles. Las configuraciones de los electrones de estos elementos facilitan la descripción condensada de la configuración del electrón para otros elementos.

Para cualquier elemento, la configuración del electrón del núcleo es la mismo que la del gas noble que lo precede en la tabla periódica. La configuración del electrón del sodio, por ejemplo, se puede escribir como núcleo de neón, 3s1. La configuración del electrón del núcleo del potasio es 1s22s22p63s23p6, dejando un electrón de valencia.

Ahora, entra el decimonoveno electrón en la subcapa 3d? Recuerde que la subcapa 4s tiene una capacidad sustancial de penetración, que a menudo conduce a que tenga una menor energía que la subcapa 3d. El principio aufbau, por lo tanto, mantiene que la subcapa 4s se llena antes que la subcapa 3d.

El núcleo del gas noble anterior, argón, se utiliza para escribir la configuración condensada. Aunque estos principios proporcionan un punto de partida, las configuraciones de los electrones reales deben confirmarse experimentalmente. En varios elementos entre los elementos de transición, los lantánidos y actínidos, las energías orbitales están en un orden relativo diferente, y es posible que el principio de aufbau no se siga completamente.

En los elementos de transición, las subcapas 3d y 4s tienen energías similares. La subcapa 4s a menudo se llena por completo. Por ejemplo, en el escandio, la configuración del electrón es el núcleo de argón, 4s23d1.

En el zinc, las subcapas 4s y 3d se llenan a sus máximas capacidades. Sin embargo, los estados fundamentales de algunos metales, como el cromo y el cobre, han ocupado individualmente los orbitales 4s. El cromo es particularmente notable porque dos subcapas están parcialmente llenas, lo que se desvía del principio de aufbau.

A lo largo de la serie de lantánidos, extendiéndose a través de cerio a lutecio, las subcapas 6s y 4f tienen energías similares. La configuración electrónica para el núcleo de neodimio xenón, 6s24f4. Mientras tanto, el cerio tiene una configuración de electrones inusual del núcleo de xenón, 6s24f15d1 porque sus subcapas 6s, 4f y 5d tienen una energía inusualmente cercana.