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Configuración electrónica: principios y fundamentos

Las propiedades químicas de todos los elementos dependen de la corteza electrónica de los átomos que lo constituyen. Por esta razón es importante conocer los principios para la distribución de electrones en los diversos niveles y subniveles de energía, cuya representación abreviado se conoce como “configuración electrónica”.

Toda la materia está formada por partículas de pequeño tamaño conocidas como “átomos”.

Estructura del átomo

El átomo es la unidad fundamental de un elemento y, por lo tanto, la unidad constituyente más pequeña de toda la materia. Está formado por partículas más pequeñas o subatómicas llamadas protones, neutrones y electrones.

  • Los protones tienen carga positiva (+).
  • Los neutrones tienen carga neutra (0).
  • Los electrones tienen carga negativa (−).

El átomo consta de un núcleo positivo, donde se encuentran los protones y los neutrones; y una corteza electrónica por donde giran los electrones organizados en órbitas.

Átomo con 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. Los electrones se organizan en distintos niveles de energía; en el primero (n = 1) hay 2 electrones y en el segundo (n = 2) hay 4 electrones.

¿Qué son los niveles de energía?

Son las capas en los que se reparten los electrones de un átomo. Mientras mayor sea el valor del nivel de energía (n = 1, 2, 3, …), mayor será la distancia entre el electrón en el orbital de un átomo y el núcleo; por lo tanto, el orbital es de mayor tamaño. Así, los orbitales del nivel de energía 3 (n = 3) son más grandes que los orbitales del nivel de energía 2 (n = 2).

orbitales atómicos

Los orbitales atómicos son regiones en las que hay alta probabilidad de hallar un electrón y poseen una determinado nivel de energía. Si bien los distintos tipos de orbitales no tienen forma definida es posible imaginar una forma particular de acuerdo a la distancia entre el núcleo del átomo y la posible localización del electrón. Según su forma, los orbitales se nombran con las letras s, p, d, f, …

Orbitales s

Se caracteriza por tener una forma esférica que aumenta de tamaño al aumentar el nivel de energía.

Los orbitales s tienen capacidad para 2 electrones.

orbital 1s orbital 2s orbital 3s

Orbitales p

Podemos imaginar a los orbitales p como dos lóbulos ubicados uno del lado opuesto del otro. Existen tres tipos de orbitales p: px, py y pz, cuyos subíndices representan los ejes sobre los cuales se orientan los orbitales.

Los orbitales p tienen capacidad para 6 electrones, 2 electrones por cada orientación.

orbital py orbital px orbital pz

Orbitales d y otros de mayor energía

Estos orbitales tienen forma de lóbulos en cinco orientaciones diferentes. Los orbitales con mayor energía que los orbitales d se representan con las letras f, g, h, …

Los orbitales d tienen capacidad para 10 electrones, 2 electrones por cada orientación.

orbital dz2 orbital dxz orbital dxy

 

orbital dyz orbital dx2-y2

Cabe destacar que a medida que aumenta el nivel de energía también aumenta la capacidad de contener orbitales, por ejemplo, en n = 1 solo encontramos orbitales s, en n = 2 orbitales s y p, y en n = 3 orbitales s, p y d, y así sucesivamente. A manera de resumen podemos organizar esta información en una tabla como la siguiente:

Nivel de energía Orbitales Capacidad electrónica del orbital Capacidad electrónica del nivel
1 s 2 2
2 s 2 8
p 6
3 s 2 18
p 6
d 10
4 s 2 32
p 6
d 10
f 14
La forma en la que se organizan los electrones alrededor del núcleo atómico determina el tipo de enlace en las sustancias y sus propiedades químicas.

Configuración electrónica

La información dada en la tabla anterior puede ilustrarse gráficamente en un esquema conocido como “regla Möller”, “regla de las diagonales” o “método de la lluvia”. Este se utiliza en el llenado de arriba hacia abajo de los subniveles de un átomo en la dirección y sentido que señalan las flechas.

Regla de Moeller para escribir la configuración electrónica del átomo de un elemento.

Recordemos que el número de electrones de un átomo en su estado fundamental es igual a su número atómico (Z). Así, la configuración electrónica del átomo de hidrógeno (Z = 1) en estado fundamental es 1s1, donde:

Por lo tanto, podemos decir que el electrón del átomo de hidrógeno está en un orbital s del nivel de energía 1. La expresión 1s1 se lee “uno ese uno”.

¿Sabías qué?
El estado fundamental, también llamado “estado basal”, es el estado de menor energía en el que se puede encontrar un átomo.

¿Cómo escribir la configuración electrónica de un átomo?

  • Litio (Li)

El número atómico (Z) del Li es 3, por lo tanto, el átomo de Li tiene 3 electrones en su estado fundamental. Para escribir su configuración electrónica empezamos a contar desde el primer nivel de energía hasta llegar a los 3 electrones.

Empezamos con 1s2 y seguimos hasta llegar a 2s, orbital en el que caben 2 electrones. Como solo falta un electrón para llegar a 3, escribimos la designación del orbital con un solo electrón, es decir, 2s1.

 

Configuración electrónica de Li → 1s2 2s1
  • Carbono (C)

Como el número atómico (Z) de C es 6, los electrones de este átomo son 6. Así que contamos de forma progresiva en el diagrama hasta llegar a 6 electrones.

Si iniciamos con 1s2 y luego pasamos por 2s2 ya tenemos 4 electrones. Como faltan 2 electrones seguimos hasta 2p y escribimos la designación del orbital con 2 electrones: 2p2.

 

Configuración electrónica de C → 1s2 2s2 2p2

  • Magnesio (Mg)

El número atómico (Z) del Mg es 12, por lo que debemos repetir el mismo procedimiento de los ejemplos anteriores hasta llegar a 12 electrones.

Tras llenar los primeros 10 electrones hasta el 2p6, seguimos con 3s2 y de ese modo ya se tienen los 12 electrones correspondientes al átomo en su estado fundamental.

 

Configuración electrónica de Mg → 1s2 2s2 2p6 3s2

Configuración electrónica de los primero 15 elementos de la tabla periódica

Elemento Símbolo Número atómico (Z) Número de electrones en estado fundamental Configuración electrónica
Hidrógeno H 1 1 1s1
Helio He 2 2 1s2
Litio Li 3 3 1s2 2s1
Berilio Be 4 4 1s2 2s2
Boro B 5 5 1s2 2s2 2p1
Carbono C 6 6 1s2 2s2 2p2
Nitrógeno N 7 7 1s2 2s2 2p3
Oxígeno O 8 8 1s2 2s2 2p4
Flúor F 9 9 1s2 2s2 2p5
Neón Ne 10 10 1s2 2s2 2p6
Sodio Na 11 11 1s2 2s2 2p6 3s1
Magnesio Mg 12 12 1s2 2s2 2p6 3s2
Aluminio Al 13 13 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Silicio Si 14 14 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
Fósforo P 15 15 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

Diagrama de orbitales

Los diagramas de orbitales son otra forma de mostrar la configuración electrónica, el cual plasma de forma más precisa la posición del espín del electrón. Los posibles giros de un electrón son dos y se representan con flechas: una hacia arriba y otra hacia abajo. Cada caja representa un orbital. Por ejemplo:

H →  He → 

¿Sabías qué?
El espín, o momento angular de rotación del electrón, está relacionado con los dos movimientos de giros que puede tener el electrón, los cuales se representan con flechas.

Regla para la distribución de los electrones

  • Principio de exclusión de Pauli

“Un orbital no puede tener más de dos electrones, cuyos espines deben tener valores opuestos, es decir, una flecha hacia arriba y otra hacia abajo”.

Observa las tres posibles maneras de organizar los 2 electrones en el orbital 1s del helio (He). Solo el diagrama c) cumple con el principio de exclusión de Pauli.

a) b) c)
He →
Incorrecto Incorrecto Correcto

  • Principio de máxima multiplicidad de carga o regla de Hund

“La distribución electrónica más estable es aquella que tiene la mayor cantidad de espines paralelos o no apareados”.

Observa los distintos diagramas de orbitales en los que se muestra la distribución de electrones del átomo de carbono (C). Aunque los tres cumple con el principio de exclusión de Pauli solo el diagrama c) cumple con la regla de Hund y por lo tanto es el adecuado.

a) C →  Incorrecto
b) C →  Incorrecto
c) C →  Correcto

Nota que se dibujan tres cajas para los orbitales p porque estos tienen tres orientaciones diferentes (px, py y pz) en las cuales caben 2 electrones respectivamente.

  • Principio de Aufbau

“Mientras se añaden protones al núcleo del átomo de uno en uno, los electrones se suman de la misma forma en los orbitales atómicos”.

Por ejemplo, el tercer electrón del átomo de litio (Li) no puede acomodarse en el orbital 1s, así que se coloca en el siguiente orbital de menor nivel de energía, el 2s.

He → 

Li → 

Con excepción del hidrógeno y del helio, la configuración electrónica de todos los elementos puede ser representada por un kérnel de gas noble, el cual muestra entre corchetes el símbolo del gas noble que antecede a un elemento. Ejemplo:

Símbolo de elemento Número atómico (Z) Configuración electrónica
H 1 1s1
He 2 1s2
Li 3 [He]2s1
Be 4 [He]2s2
B 5 [He]2s2 2p1
C 6 [He]2s2 2p2
N 7 [He]2s2 2p3
O 8 [He]2s2 2p4
F 9 [He]2s2 2p5
Ne 10 [He]2s2 2p6
Na 11 [Ne]3s1
Mg 12 [Ne]3s2
Al 13 [Ne]3s2 3p1
Si 14 [Ne]3s2 3p2
P 15 [Ne]3s2 3p3
¿Sabías qué?
Los electrones más externos que se ubican luego del kérnel del gas noble son llamados “electrones de valencia”.

¡a practicar!

Escribe la configuración electrónica de los siguientes elementos en su estado fundamental. En cada caso, realiza el diagrama de orbitales.

a) Calcio

b) Hierro

c) Zinc

d) Bromo

Respuestas

a) Calcio

 

  • Símbolo: Ca
  • Número atómico (Z): 20
  • Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 → [Ar]4s2
  • Diagrama de orbitales:

b) Hierro

 

  • Símbolo: Fe
  • Número atómico (Z): 26
  • Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 → [Ar]4s2 3d6
  • Diagrama orbitales: 

c) Zinc

 

  • Símbolo: Zn
  • Número atómico (Z): 30
  • Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 → [Ar]4s2 3d10
  • Diagrama de orbitales: 

d) Bromo

 

  • Símbolo: Br
  • Número atómico (Z): 35
  • Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 → [Ar]4s2 3d10 4p5
  • Diagrama de orbitales:

 

CAPÍTULO 9 / REVISIÓN

Impacto ambiental y catástrofes naturales | ¿qué aprendimos?

IMPACTO SOBRE LA BIÓSFERA

La biósfera es el subsistema que sustenta la vida de la superficie de la Tierra, se extiende desde la atmósfera hasta las zonas más profundas del océano. La biósfera es un ecosistema global compuesto por organismos vivos (biota) y factores abióticos (no vivos). De todos los seres vivos que habitan en el planeta, el hombre, con su modo de vida, provoca que su impacto en la Tierra sea mayor que el causado por cualquier otra especie. Dentro de las actividades humanas que afectan la biósfera se encuentran: el uso de energías a base de carbón, las cuales aumentan los gases de efecto invernadero; la deforestación, la cual contribuye con eliminar a los pulmones naturales del planeta; y la quema de basura, que genera gases tóxicos para el ambiente.

El término “biósfera” fue utilizado por primera vez en 1875 por Eduard Suess.

IMPACTOS EN LA TRAMA TRÓFICA

Se conoce como red trófica a la interconexión natural entre las cadenas tróficas de un ecosistema determinado. Cada uno de los compartimentos por los que fluye la energía recibe el nombre de nivel trófico, y a su vez están conformados por las especies o los eslabones. Para que las relaciones entre los organismos que conforman cada una de las redes funcionen de manera adecuada debe existir un equilibrio. Entre las actividades que dañan las redes tróficas se encuentran: la deforestación, los incendios provocados, la minería, los vertidos industriales y la pesca indiscriminada. A largo plazo, todas ellas provocan la desaparición o disminución de varios eslabones, lo cual a su vez trae como consecuencia la desaparición de otras especies y por lo tanto un desequilibrio en los ecosistemas.

El concepto de red alimenticia tiene su origen en los escritos de Charles Darwin.

DESASTRES NATURALES E INDUCIDOS

Se define como desastre natural a la pérdida de vidas humanas o bienes materiales a causa de fenómenos naturales. En esta categoría se incluyen los terremotos, los cuales ocurren cuando la tierra libera energía acumulada y hace que el suelo tiemble, los huracanes, los tifones y los ciclones, mismo tipo de fenómeno meteorológico en el que una gran tormenta gira en círculos y supera los 118 km/h, los tsunamis, que se producen a causa de una erupción o un deslizamiento, las mangas de agua, fenómeno natural que ocurre en aguas tropicales, y las sequías e inundaciones. Por otro lado, los desastres inducidos son aquellos provocados por la acción del ser humano, como los incendios, la deforestación y la contaminación.

Los desastres naturales pueden causar serios daños, entre ellos, pérdidas de vidas.

MOVIMIENTOS DE MASAS TERRESTRES

Las placas tectónicas se encuentran en constante movimiento. Sus bordes son activos, por lo que es frecuente que se produzcan fenómenos como los sismos, terremotos, tsunamis y erupciones volcánicas. Estas últimas, además de provocar la pérdida de muchas vidas humanas, tienen impactos graves en el medio ambiente, por ejemplo: la lluvia de cenizas, que modifica las características del agua, el humo, que posee gases nocivos tanto para el ser humano como para los seres vivos, y la lluvia ácida, la cual destruye la capa vegetal. Ante estas catástrofes existen medidas que suponen una prevención y garantizaran la posibilidad de sobrevivir, entre ellas se encuentran: identificar lugares seguros dentro o fuera del hogar, utilizar ropa que proteja la piel, alejarse de postes o cualquier objeto que tenga electricidad y, la más importante de todas, mantener la calma.

Las consecuencias de los desastres naturales generalmente son catastróficas, pero en los países subdesarrollados recuperarse económicamente es más difícil que en los desarrollados.

TEMPERATURA AMBIENTAL

El efecto invernadero es un proceso natural que calienta la superficie de la Tierra gracias a la presencia de ciertos gases que se encuentran en la atmósfera, como el dióxido de carbono, el vapor de agua, el metano, el ozono y los clorofluorocarbonos. Sin embargo, la actividad humana ha intensificado este fenómeno y algunas de las consecuencias de ello son: aumento de la radiación solar, acidificación de los océanos y derretimiento de los polos. Por otro lado, el calentamiento global es el aumento de la temperatura media de la atmósfera terrestre y del agua del mar. Algunas de las consecuencias de este fenómeno son: el deshielo de los casquetes polares, la disminución de la superficie cubierta por nieve o por hielo y la muerte de muchas especies, entre otras.

Si los gases de efecto invernadero siguen aumentando, la temperatura de la Tierra también lo hará.

EVIDENCIAS DE DEGRADACIÓN DE LA CAPA DE OZONO

La capa de ozono es una capa profunda de la estratósfera que rodea la Tierra y protege todo nuestro planeta de gran parte de la radiación ultravioleta. A lo largo de los años, la capa de ozono se ha visto afectada por las actividades humanas. El agujero de la capa de ozono es una de las consecuencias de ello, es una zona donde la cantidad de ozono está reducida de manera anormal. Para evitar la continua degradación de la capa, se recomienda corroborar que los productos que se compran estén libres de compuestos dañinos, no utilizar productos que contengan sustancias que alteren la capa de ozono, como cloro y bromo y, sustituir los extintores que usen gas halón por aquellos elaborados a base de agua, gas carbónico, nitrógeno o argón.

El ozono es un gas de color azul conformado por tres átomos de oxígeno en cada una de sus moléculas.