2012

QUÍMICA MENCIÓNQM-02

LA CONFIGURACIÓNELECTRÓNICA

2

REPRESENTACIÓN DE LOS ELECTRONES MEDIANTE LOS NÚMEROS CUÁNTICOS

Como consecuencia del principio de indeterminación se deduce que no podemos dar unadescripción de la posición y movimiento de los electrones en el lenguaje de la física clásica. Existeuna mecánica nueva, llamada “mecánica cuántica” que entrega una representación mássatisfactoria de las partículas con masa despreciable.

Los electrones de un átomo poseen propiedades energéticas distintas, razón por la cual, siempreson distinguibles. En otras palabras, todos los electrones de un átomo son distintos a pesar de sumasa y carga iguales.

La situación energética de cada uno está definida por cuatro estados denominados estadoscuánticos. A cada estado cuántico corresponde un número, por lo tanto, hay cuatro númeroscuánticos para cada electrón de un átomo. Los números cuánticos identifican y describen a cadaelectrón.

Estos 4 números cuánticos se denominan:

n: número cuántico principal

Determina el nivel energético de la región queocupa el electrón. Cuanto mayor sea n, mayores la energía de la nube electrónica. Cabehacer notar que el movimiento de loselectrones en estos niveles no es uniforme yla forma circular es sólo ilustrativa de éstasdivisiones.

Sus valores van desde el 1 en adelante, segúnel nivel donde se encuentre el electrón.

3

: número cuántico secundario o azimutal

Determina la forma de la nube electrónica. Físicamente corresponde a la zona más probabledonde encontrar un electrón. El número cuántico azimutal es propio de cada orbital y esindependiente del nivel energético en el que probablemente se encuentre el electrón. Porconvención los valores permitidos para los orbitales s, p, d y f son:

Orbital

s 0

p 1

d 2

f 3

Orbital s: ( = 0)

Orbitales p: ( = 1)

4

Orbitales d: ( = 2)

Orbitales f: ( = 3)

5

m: número cuántico magnético

Determina la orientación espacial de la nube electrónica en respuesta al campo magnético ejercidopor el núcleo atómico. Éste número magnético depende del azimutal y toma valores desde -hasta + pasando por cero.

Por lo tanto:

tipo de orbital () orientaciones (m)número deorbitales

0 (s) 0 1

1 (p) -1, 0, 1 3

2 (d) -2, -1, 0, 1, 2 5

3 (f) -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 7

s: número cuántico de Spin

El estudio de los electrones revela la existencia de trescampos magnéticos distintos, el primero está asociado almovimiento del electrón en torno del núcleo y los otrosdos son interpretados como movimientos de rotación delelectrón respecto a su propio eje.

Si el electrón fuese considerado como una esfera, tendríados sentidos de rotación: horario y antihorario.

Se acostumbra a asociar a esos dos sentidos de rotación(que en realidad son los dos campos magnéticosanteriormente referidos) dos números, cuyos valores son+½ ó -½.

Valores permitidos para los números cuánticos

Los valores permitidos para asignar los números cuánticos a cada electrón son los siguientes:

n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7… (niveles: k, l, m, n, o, p, q…)

= 0, 1, 2, 3 (orbitales s, p, d y f, respectivamente)

m = 0, 1, 2,.... hasta

s = - ½ , +½

6

PRINCIPIO DE CONSTRUCCIÓN (AUFBAU)

MÍNIMA ENERGÍA

Todos los electrones que forman parte de un átomo adoptan los 4 números cuánticos que lespermiten tener la menor energía posible.

Puede afirmarse que, por regla general, los números cuánticos más bajos describen electrones demenor energía que los números cuánticos altos. Así el electrón con menor energía será aquel quetenga los siguientes números cuánticos:

n = 1 = 0 m = 0 s = +½

CONVENIO

Se asigna +½ al spin del primer electrón en un átomo.

EXCLUSIÓN DE PAULI

“No pueden existir en un mismo átomo 2 o más electrones con sus cuatro números cuánticosiguales”.

Sí pueden existir 2 electrones con tres números cuánticos iguales pero el cuarto debe ser distinto.Por cada orbital existen sólo 2 electrones en movimiento. El principio de exclusión es válido paratodos los orbitales de un átomo. A partir del sexto electrón y los demás se requiere citar un nuevoprincipio.

MÁXIMA MULTIPLICIDAD DE HUND

Cuando los electrones penetran en un nivel de valores dados de “n” y “”, los valores de “s”mantienen el mismo signo, o sea, igual spin (llamado spin paralelo) hasta que se hayasemicompletado la capacidad, sólo entonces se inicia el apareamiento. Dicho de otro modo, sólocuando se haya semicompletado un nivel de energía con los electrones, la regla de Hund permiteel apareamiento y por tanto y por tanto completar el nivel electrónico.

empiezan

7

En la tabla siguiente aparece la distribución de los electrones en los niveles cuánticos:

Capa n m Número de TOTALelectronesdistribuidos

K 1 0(s) 0 2 2

L 20(s)1(p)

0-1,0,+1

26

8

M 30(s)1(p)2(d)

0-1,0,+1

-2,-1,0,+1,+2

26

10 18

N 4

0(s)1(p)2(d)3(f)

0-1,0,+1

-2,-1,0,+1,+2-3,-2,-1,0,+1,+2,+3

26

1014

32

Conclusiones relevantes

Los electrones se distribuyen de a pares:

2 en 1 orbital llamado s 6 en 3 orbitales llamados p (px, py y pz) 10 en 5 orbitales llamados d (dxy, dxz, dyz, 2 2x -y

d y 2zd )

Las capacidades máximas de cada orbital son:

ORBITAL VALOR DE Nº MÁXIMO DE ELECTRONES

s 0 2p 1 6d 2 10f 3 14

Como cada orbital acepta hasta dos electrones, podemos deducir, que hay un orbital “s”,tres “p”, cinco “d” y siete “f”.

El orden en que son ocupados los orbitales puede encontrarse empleando una reglaempírica sencilla, ésta es, que los electrones entran generalmente en aquel orbital quetenga el valor mínimo posible para la suma (n +). Así, el orbital 4s (con n = 4 y = 0;4+0 = 4) se llena antes que el 3d (con n = 3 y = 2; 3+2 =5).

En caso que resultara igual la suma en ambos casos, se llenará primero el que tenga elvalor más bajo de “n”.

Ejemplo: 3 d 3 + 2 = 54 p 4 + 1 = 5

Se llena primero el orbital 3 d (ya que n es menor).

8

LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS

El llenado de los niveles energéticos con electrones considerando el principio de construcción seconoce como “CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA”. Para el llenado con electrones debemosconsiderar los dos primeros números cuánticos, n y , el resto es seguir la lógica planteada por elprincipio de Aufbau. El diagrama de Pauling es una ayuda para la asignación, así por ejemplo:

Capas Niveles Máximo nº e por nivel

R 8 8s 2Q 7 7s 7p 8P 6 6s 6p 6d 18O 5 5s 5p 5d 5f 32N 4 4s 4p 4d 4f 32M 3 3s 3p 3d 18L 2 2s 2p 8K 1 1s 2

El orden de llenado de los orbitales sigue un orden específico que se resume en un esquemadenominado diagrama de de moeller.

Por ejemplo, un átomo con 8 electrones (Z = 8), tiene una configuración electrónica 1s2 2s2 2p4,los números cuánticos correspondientes se obtienen al analizar al último electrón de laconfiguración;

2p4

n = 2 l = 1

p4

px py pz

-1 0 +1

1 electrón

2 electrones

3 electrones

4 electrones

m = -1 s = -1/2

9

La siguiente tabla muestra algunas configuraciones electrónicas:

1 H 1 s1

2 He 1 s2

3 Li 1 s2 , 2 s1

4 Be 1 s2 , 2 s2

5 B 1 s2 , 2 s2 2 p1

6 C 1 s2 , 2 s2 2 p2

7 N 1 s2 , 2 s2 2 p3

8 O 1 s2 , 2 s2 2 p4

9 F 1 s2 , 2 s2 2 p5

10 Ne 1 s2 , 2 s2 2 p6

11 Na 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s1

12 Mg 1 s2 , 2 s2 2 p6, 3 s2

13 Al 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p1

14 Si 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p2

15 P 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p3

16 S 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p4

17 Cl 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p5

18 Ar 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6

19 K 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s1

20 Ca 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2

21 Sc 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d1

22 Ti 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d2

23 V 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d3

24 Cr 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s1 3 d5-- *

25 Mn 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d5

26 Fe 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d6

27 Co 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d7

28 Ni 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d8

29 Cu 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s1 3 d10-- *

30 Zn 1 s2 , 2 s2 2 p6 , 3 s2 3 p6 , 4 s2 3 d10

Los asteriscos que aparecen en los elementos Cr y Cu, señalan que sucede una pequeña irregularidad en favor de la estabilidad del elemento; el orbital d “le quita”un electrón al orbital “s” para semicompletar y completar los orbitales “d”. Se produce entonces una promoción electrónica desde un orbital s a un orbital d.

TEST DE EVALUACIÓN MÓDULO 02

1. El último electrón del átomo de Azufre (16S) se ubica en el orbital

A) s

B) px

C) py

D) pz

E) dxy

10

2. El número magnético m asignado correctamente al cuarto electrón de un átomo en estadobasal tiene valor

A) 0B) - 1C) +1D) +2E) - 2

3. La causa fundamental del paramagnetismo (sustancias atraídas por un campo magnético) esla presencia de uno o más electrones desapareados. ¿Cuál de los siguientes elementospresenta mayor grado de paramagnetismo?

A) Li (Z= 3)B) Be (Z= 4)C) He (Z= 2)D) C (Z= 6)E) N (Z= 7)

4. ¿Cuáles de los siguientes elementos presenta 1 electrón desapareado?

I) 15PII) 11NaIII) 13Al

A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo I y II.D) Sólo II y III.E) I, II y III.

5. Asumiendo el convenio para el spin (+1/2 para el primer electrón en un orbital), los númeroscuánticos m y s definidos para el noveno electrón de un átomo deben ser

A) 0 y +1/2B) 1 y +1/2C) 0 y - 1/2D) -1 y - 1/2E) -1 y +1/2

6. ¿Cuál(es) de las siguientes aseveraciones es (son) correcta(s)?

I) Los iones 11Na+ y 9F- presentan la misma configuración electrónica.

II) El átomo de Carbono (6C) presenta 2 niveles de energía con electrones.III) Oxígeno y Azufre (8O y 16S) presentan la misma cantidad de electrones en el

último nivel de energía.

A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) I, II y III.

11

7. Si los números cuánticos azimutal y magnético para un electrón son respectivamente 1 y+1, entonces el orbital correctamente asignado para ese electrón tiene que ser

A) sB) px

C) py

D) pz

E) dxy

8. Cuando 2 especies químicas presentan la misma cantidad de electrones, es correcto afirmarque

I) presentan el mismo comportamiento químico.II) tienen la misma cantidad de neutrones.III) tienen la misma cantidad de protones

A) Sólo I.B) Sólo II.C) Sólo III.D) Sólo I y II.E) Sólo II y III.

9. Un elemento químico en estado basal con 2 niveles de energía y 3 electrones en el nivel másexterno, presenta

I) 5 protones en su núcleo.II) sólo 2 tipos de orbitales en el nivel más externo.III) 3 electrones localizados en los orbitales “p”.

De las anteriores es (son) correcta(s)

A) sólo I.B) sólo II.C) sólo I y II.D) sólo II y III.E) I, II y III.

10. ¿Cuántos electrones de valencia presenta el elemento químico Potasio (19K)

A) 1B) 2C) 3D) 4E) 7

11.Nivel energético, orientación espacial del orbital y forma del orbital, sondenominaciones convencionales para identificar respectivamente a los números cuánticos

A) n s B) n m C) m s nD) n mE) s m n

12

12. 4Be, 12Mg y 20Ca tienen en común la (el)

A) cantidad de niveles de energía.B) el número de electrones de valencia.C) número de protones y neutrones.D) número de orbitales atómicos con electrones.E) número cuántico principal para el último electrón.

13.Si el elemento X cede electrones del último nivel de energía para estabilizarse, entonces

I) se transforma en gas noble.II) se convierte en un catión.III) modifica su número de protones.

De las anteriores es (son) correcta(s)

A) sólo II.B) sólo III.C) sólo I y II.D) sólo II y III.E) I, II y III.

14. ¿Qué pareja de átomos presenta respectivamente en el nivel de valencia, configuraciónelectrónica del tipo

[3s2 3p2] y [3s2 3p4]

X Y

X Y

A) 15P 16SB) 14Si 17ClC) 14Si 16SD) 16S 15PE) 16S 17Cl

15.El número de orbitales atómicos con electrones que presenta el átomo de Nitrógeno (7protones), en estado basal, debe ser

A) 1B) 2C) 3D) 4E) 5

DMDO-QM02

Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra Webhttp://www.pedrodevaldivia.cl/