¿Qué es una configuración electrónica?
Una configuración electrónica es la lista de direcciones de todos los electrones de un átomo: qué capas, qué subcapas y en qué orbitales se encuentran. Los electrones de los átomos no son visitantes: casi toda la química es la historia de los electrones más externos que encuentran disposiciones de menor energía, así que saber dónde están los electrones es saber por qué la tabla periódica tiene la forma que tiene, por qué el sodio se enlaza una vez y el carbono cuatro, y por qué el hierro es magnético. El recuento avanza desde fuera hacia dentro: los átomos neutros tienen exactamente Z electrones, y Z por sí solo determina toda la lista.
La regla que conviene recordar: los electrones ocupan la disposición de menor energía disponible, de acuerdo con dos límites: cada orbital admite como máximo 2 electrones con espines opuestos (Pauli), y los orbitales de igual energía se llenan con un electrón cada uno antes de aparearse (Hund).
Capas, subcapas y orbitales
Las capas son los niveles de energía numerados n = 1, 2, 3...; cada capa contiene subcapas designadas s, p, d, f; cada subcapa está formada por orbitales, regiones donde es más probable encontrar un electrón. Un orbital no es una pista: es una nube de probabilidad, esférica para s, con forma de mancuerna para p y de trébol para la mayoría de los d (el panel de formas de arriba las dibuja). La capacidad se acumula rápidamente:
| Subcapa | Orbitales | Electrones | Número cuántico l |
|---|
| s | 1 | 2 | 0 |
| p | 3 | 6 | 1 |
| d | 5 | 10 | 2 |
| f | 7 | 14 | 3 |
Los cuatro números cuánticos dan a cada electrón una dirección única: n (capa), l (subcapa), ml (qué orbital, de −l a +l), ms (espín, ±½). El principio de exclusión de Pauli se reduce a afirmar que dos electrones de un átomo nunca comparten los cuatro.
El orden de llenado y sus sorpresas
El orden de Aufbau 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d... no es una cuenta regresiva de capas: el primer orbital 3d está por encima de 4s en energía, así que el potasio (Z=19) y el calcio (20) llenan 4s antes de que empiece el bloque 3d. El hierro (Z=26) queda en [Ar]4s²3d&sup6; con cuatro electrones desapareados, que es exactamente la razón de su fuerte paramagnetismo; la página lo calcula con un solo clic. Después, unos veinte elementos incumplen las predicciones: el cromo adopta [Ar]4s¹3d⁵ y el cobre [Ar]4s¹3d¹⁰, cediendo un electrón de 4s para completar o semillenar la subcapa d, ambas configuraciones inusualmente estables. La formación de iones invierte el sentido del truco: los electrones 4s salen primero, así que el Fe²⁺ es [Ar]3d⁶. La forma de la tabla periódica es este orden dibujado a gran escala: cada bloque es el llenado de una subcapa, y la química se repite porque se repiten las configuraciones de valencia.
Valencia frente a núcleo
Los electrones de core (las capas internas, ocultas en la notación abreviada de gas noble como [Ar]) son espectadores; los electrones de valencia —los de las subcapas s y p más externas (más la d parcialmente llena)— hacen todo el trabajo de enlace. El número de grupo de los elementos del grupo principal es el recuento de valencia: 1 para el Na, 2 para el Mg, ... 7 para el Cl. Por eso importa la notación abreviada del panel de configuración: [Ar]4s²3d⁶ indica de un vistazo que la química del hierro se desarrolla en la capa 3d. Los electrones de valencia desapareados también determinan el veredicto magnético: cualquier electrón desapareado (el Fe tiene 4) hace al átomo paramagnético, atraído por un campo magnético; los átomos con todos los electrones apareados, como el Zn ([Ar]3d104s2), son diamagnéticos y se repelen débilmente.
Ideas erróneas habituales
- Los electrones orbitan como planetas. Un orbital es una nube de probabilidad —el límite del 90 % de la región donde es probable encontrar el electrón—, y los electrones solo «se mueven» en el sentido de que la nube no es estática en el tiempo.
- 4s se llena primero, así que se ioniza al final. Una vez que llegan los electrones 3d, empujan 4s hacia arriba en energía, y los cationes pierden primero los electrones de 4s (Fe²⁺, Cu⁺).
- Las subcapas llenas causan paramagnetismo. Es lo contrario: llena significa que todos los electrones están apareados, y por tanto diamagnética. El Zn ([Ar]3d104s2) es diamagnético, mientras que el Cu atómico conserva su electrón 4s1 desapareado y es paramagnético, tal como indica la muestra de Cu de la página.
- Las capas semillenas son mágicas para todos. La bonificación de estabilidad se aplica a los orbitales degenerados (como los cinco 3d); s, p, d y f siempre se llenan según las mismas tres reglas, y no existe una «regla cuántica» distinta para cada elemento.
Herramientas relacionadas: Tabla periódica (los bloques que crea el orden de llenado), Enlaces y VSEPR (lo que construyen esos electrones de valencia) y Química nuclear (el núcleo que cuenta Z).
