Números cuánticos y configuraciones electrónicas
Un imán de refrigeradora se pega a una lata de atún, pero no a una de aluminio. En los átomos pasa algo parecido: algunos tienen electrones «solitarios» que responden a un imán y otros no. Cada electrón de un átomo tiene una «dirección» completa dentro de la corteza: en qué nivel está, en qué tipo de subnivel, en cuál orbital exactamente y con qué sentido de giro. Esa dirección son los cuatro números cuánticos. Con ellos y tres reglas de llenado usted va a poder escribir la configuración en el sistema nlx de cualquier átomo o ion, y entender por qué el oxígeno es atraído por un imán y el neón no.
Los cuatro números cuánticos
En el modelo mecano-cuántico, el estado de un electrón se describe con cuatro números. Los tres primeros definen el orbital en el que está; el cuarto, el giro del electrón. La distinción clave es esta: nivel (n), subnivel (n y l) y orbital (n, l y $m_l$).
Principio de exclusión de Pauli
Llenado de orbitales: mínima energía y regla de Hund
Si se acerca un imán potente a oxígeno líquido, este es atraído; el nitrógeno líquido apenas responde y los gases nobles, como el neón, son ligeramente repelidos. ¿Con qué reglas se ocupan los orbitales y por qué algunos átomos conservan electrones desapareados?
El fósforo es un elemento no metálico esencial cuyo número atómico es Z = 15. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de fósforo en su estado fundamental según…
El fósforo es un elemento no metálico esencial cuyo número atómico es Z = 15.
- a) Escriba la configuración electrónica del átomo de fósforo en su estado fundamental según el principio de llenado progresivo o diagrama de Moeller.
- b) Indique cuántos electrones desapareados posee en su capa de valencia de acuerdo con la regla de máxima multiplicidad de Hund y deduzca si el átomo neutro en estado fundamental exhibe propiedades paramagnéticas o diamagnéticas.
Considere el átomo de carbono en estado neutro (Z = 6), cuya configuración electrónica completa comienza con el subnivel $1s^2\,2s^2$ y finaliza con dos electrones…
Considere el átomo de carbono en estado neutro (Z = 6), cuya configuración electrónica completa comienza con el subnivel $1s^2\,2s^2$ y finaliza con dos electrones situados en el subnivel 2p. En el siguiente esquema se recogen tres posibles distribuciones (A, B y C) para los dos electrones en los tres orbitales degenerados 2p:
- a) Identifique cuál de las tres opciones corresponde al estado fundamental del carbono, razonando su elección a partir de las leyes cuánticas de llenado.
- b) Analice detalladamente qué principio cuántico o regla se transgrede en cada una de las dos opciones restantes.
Configuraciones de iones y del hierro
Las sales de hierro(II) y de hierro(III) se comportan distinto frente a un campo magnético: el $\mathrm{Fe}^{3+}$ tiene cinco electrones desapareados y el $\mathrm{Fe}^{2+}$, cuatro. Si el $4s$ se llena antes que el $3d$, ¿de qué subnivel se sacan primero los electrones al formar un catión?
Iones de elementos representativos
Un anión gana electrones y se completa el mismo subnivel de valencia; un catión pierde electrones de la capa más externa (mayor $n$).
Iones de metales de transición
El hierro es un elemento de transición con número atómico Z = 26. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de hierro neutro en su estado fundamental y…
El hierro es un elemento de transición con número atómico Z = 26.
- a) Escriba la configuración electrónica del átomo de hierro neutro en su estado fundamental y justifique por qué al ionizarse para formar el catión $\mathrm{Fe}^{2+}$ pierde antes los electrones del orbital 4s que los del subnivel 3d.
- b) Escriba la configuración electrónica del catión $\mathrm{Fe}^{3+}$ y determine razonadamente cuál de las dos especies, $\mathrm{Fe}^{2+}$ o $\mathrm{Fe}^{3+}$, presentará un mayor número de electrones desapareados y, en consecuencia, un comportamiento paramagnético más intenso.
Anomalías del cromo y del cobre
La regla de Moeller funciona casi siempre, pero el cromo y el cobre, que están en los alambres, las tuberías y las monedas, tienen una configuración distinta de la que predice. ¿Por qué el átomo «prefiere» saltarse la regla?
El cromo (Z = 24) y el cobre (Z = 29) presentan anomalías reconocidas respecto a la regla mnemotécnica habitual del diagrama de Moeller. a) Formule la configuración…
El cromo (Z = 24) y el cobre (Z = 29) presentan anomalías reconocidas respecto a la regla mnemotécnica habitual del diagrama de Moeller.
- a) Formule la configuración electrónica en el estado fundamental predicha por el orden de llenado estándar de Moeller para el $\mathrm{Cr}$ y el $\mathrm{Cu}$, y contraste cada una con la configuración real experimentalmente comprobada.
- b) Justifique la causa cuántica y energética de estas configuraciones anómalas basándose en la estabilidad asociada a los subniveles semillenos o completamente llenos y en la proximidad energética existente entre los orbitales 4s y 3d.
Vuelva al principio: la tabla periódica tiene bloques de 2, 6, 10 y 14 columnas porque esas son exactamente las capacidades de los subniveles $s$ ($2\cdot 1$), $p$ ($2\cdot 3$), $d$ ($2\cdot 5$) y $f$ ($2\cdot 7$). Y el oxígeno, con $2p^4$, tiene electrones desapareados: por eso lo atrae un imán, mientras que el neón, con $2p^6$ completo, no.