El "domicilio" de los electrones

La configuración electrónica y el diagrama de orbitales

En química la configuración electrónica representa el lugar, sitio o domicilio donde se encuentran ubicados los electrones. Así, como para una persona su domicilio se describe mediante el estado, el municipio, la calle y el código postal; para un electrón son necesarios cuatro números cuánticos, n, l, ml y ms; para identificar su ubicación en cualquier orbital. Por ejemplo los cuatro números cuánticos para un electrón en un orbital 2s son: n=2, l=0, ml=0 y ms=+1/2 ó -1/2. Generalmente se usa de forma simplificada (n,l,ml,ms) entonces, para el ejemplo anterior los números cuánticos serán (2,0,0,+1/2) ó (2,0,0,-1/2). 

Orbitales

Recordemos que... para describir la distribución de los electrones en los átomos la mecánica cuántica precisa de los números cuánticos. Donde n, es el número cuántico principal, el cual puede tener sólo un valor entero, positivo y distinto de cero, es decir 1, 2, 3, etcétera. El segundo, es el número cuántico del momento angular l, que puede ser cero o un número entero positivo, pero no mayor de (n-1); l= 0, 1, 2, 3, ... El tercero es el número cuántico magnético, ml. Puede ser un número entero positivo o negativo, incluyendo el cero, que se encuentra en el intervalo -l, 0, +l. El cuarto, es el número cuántico de espín del electrón, ms. Puede tener un valor de +1/2 (indicado también por la flecha ↑) o -1/2 (indicado también por la flecha ↓), además el valor de ms no depende de ninguno de los otros tres números cuánticos, sólo sugiere que hay dos posibilidades de giro del electrón.

Ahora bien ¿por qué es importante conocer la configuración electrónica de los átomos?

Para entender el comportamiento electrónico de los átomos y por ende su reactividad, es preciso conocer la configuración electrónica del átomo, es decir muchas de las propiedades físicas y químicas de los elementos pueden relacionarse directamente con las configuraciones electrónicas. La configuración electrónica es la manera en que están distribuidos los electrones en los distintos orbitales atómicos.

Recordemos que... el número cuántico del momento angular l expresa la "forma" de los orbitales. Como ya se ha mencionado, los valores de l dependen del valor asignado al número cuántico principal, n. Por ejemplo para n=1, sólo existe un posible valor de l; es decir l=(n-1) = 1-1=0. Para n=2, l es 0 y 1. 

El valor de l se designa con las letras s, p, d, ... como se muestra en la tabla

De este modo, si l=0, tenemos un orbital s, si l=1, tenemos un orbital p, etcétera.

Pero..¿por qué esos nombres s, p, d... a los orbitales?😕

El origen de estos nombres es histórico. Se dice que cuando los físicos estudiaron los espectros de emisión atómica intentaban relacionar las líneas espectrales con los estados de energía asociados a las transiciones. Observaron que algunas líneas de emisión eran finas (sharp, en inglés), otras eran más bien difusas y algunas eran muy intensas y se referían a ellas como principales. Por ello asignaron las letras iniciales del adjetivo que calificaba a cada línea con esos estados de energía. Sin embargo, después de la letra d, el orbital se designa siguiendo un orden alfabético, comenzando con la letra f (para el estado fundamental).

Es necesario recordar también que el conjunto de orbitales que tienen el mismo valor de n se conoce comúnmente como nivel o capa. Los orbitales que tienen los mismos valores de n y l se conocen como subnivel o subcapa. Por ejemplo, el nivel con n=2 está formado por dos subniveles, l=0 y l= 1. Estos corresponden a los subniveles 2s y 2p, donde 2 representa el valor de n y s y p los valores de l.

Ahora bien, para la designación de los electrones en los orbitales atómicos debemos tomar en cuenta tres reglas:

1. Los electrones ocupan los orbitales de forma que se minimice la energía del átomo. El orden de llenado de los orbitales se estableció experimentalmente, mediante estudios espectroscópicos y magnéticos. Este orden es el que, salvo algunas excepciones, se sigue para asignar las configuraciones electrónicas a los elementos.  Así los electrones ocuparían primero el 1s, después el 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s y así sucesivamente. 

Algunas veces se suele utilizar el siguiente diagrama para recordar este orden. Hace varios años atrás, a dicho diagrama se le conocía como el método de la lluvia.

Orden de llenado de las subcapas electrónicas
Si sigues las flechas empezando por la línea superior te dará
 el orden de llenado de los orbitales

2. El principio de exclusión de Pauli: "dos electrones de un átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales". Los tres primeros números cuánticos, n, l, ml, determinan un orbital específico. Dos electrones pueden tener estos tres números iguales; pero si es así deben tener valores diferentes de ms, el número cuántico de spín. Dicho de otra manera, solamente dos electrones pueden ocupar el mismo orbital y estos electrones deben tener espines opuestos.

Debido al límite de 2 electrones por orbital, la capacidad de electrones en un subnivel debe ser el doble del número de orbitales en el subnivel. El subnivel s contiene 1 orbital con 2 electrones, el subnivel p contiene 3 orbitales con una capacidad total de 6 electrones; el subnivel d contiene 5 orbitales con una capacidad total de 10 electrones y el subnivel f tiene 7 orbitales con una capacidad total de 14 electrones.

3. Regla de Hund. "Cuando hay orbitales de idéntica energía (degenerados), los electrones ocupan inicialmente estos orbitales de forma desapareada". Esto quiere decir que un átomo tiende a tener tantos electrones desapareados (o espines paralelos) como sea posible; básicamente porque los electrones, debido a que todos tiene la misma carga eléctrica, intentan estar tan separados entre sí como sea posible.

¿Cómo representar o escribir las configuraciones electrónicas?😕

Las configuraciones electrónicas se pueden representar de dos formas: En notación spdf y en diagrama de orbitales. Veamos un ejemplo con el nitrógeno cuyo número atómico es Z= 7

Como ves la notación spdf solamente indica el número total de electrones en cada subcapa. En el diagrama de orbitales cada subcapa se descompone en orbitales individuales, que se representan mediante cajas.

Ahora bien, para escribir o representar configuraciones electrónicas se utiliza el principio de aufbau (aufbau: palabra alemana que significa "construcción progresiva"). El principio de aufbau establece que cuando los protones se incorporan al núcleo de uno en uno para construir los elementos, los electrones se suman de la misma forma a los orbitales atómicos. Este procedimiento da un conocimiento preciso de las configuraciones electrónicas de los elementos en su estado fundamental. A manera de ejemplo utilizaremos este método para asignar la configuración electrónica a algunos elementos por orden creciente de acuerdo a su número atómico Z. 

Z          elemento                 configuración electrónica

1           hidrógeno               1s¹

2          helio                         1s²

3          litio                           1s²2s¹        aquí el 3er electrón va al orbital 2s 

4          berilio                     1s² 2s²

5          boro                         1s² 2s²2p¹     aquí comienza a llenarse la subcapa 2p

6         carbono                  1s²2s²2p²  

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10        neón                      1s²2s²2p⁶        se completa el llenado de la subcapa 2p         

11         sodio                      1s²2s²2p⁶3s¹ ó [Ne]3s¹    

Es importante señalar que los electrones que se añaden a la capa eléctrica del número cuántico principal (n) más alto, los más exteriores o la capa de valencia, se llaman electrones de valencia. La configuración electrónica del sodio se puede escribir también [Ne]3s¹, esta forma es denominada configuración electrónica abreviada interna del gas noble. Para los demás elementos del resto de los períodos se suele utilizar esta forma abreviada donde sólo se indica la configuración electrónica de la capa de valencia.