M
ATERIALQM N
º04
LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
ALBERT EINSTEIN (1879 – 1955)
Albert Einstein fallece el 18 de abril de 1955 en Princeton; dejando un legado
muchísimo más importante que el Efecto Fotoeléctrico o la Relatividad.
C
U R S O: Q
UÍMICAM
ENCIÓNCUANDO SE NOS OTORGA LA ENSEÑANZA SE DEBE
PERCIBIR COMO UN VALIOSO REGALO Y NO COMO UNA
REPRESENTACIÓN DE LOS ELECTRONES MEDIANTE LOS NÚMEROS CUÁNTICOS
Como consecuencia del principio de indeterminación se deduce que no podemos dar una descripción de la posición y movimiento de los electrones en el lenguaje de la física clásica. Existe una mecánica nueva, llamada “mecánica cuántica” que da una representación más satisfactoria de las partículas con masa despreciable.
Los electrones de un átomo poseen propiedades energéticas distintas, razón por la cual, siempre son distinguibles. En otras palabras, todos los electrones de un átomo son distintos a pesar de su masa y carga iguales.
La situación energética de cada uno está definida por cuatro estados denominados estados cuánticos. A cada estado cuántico corresponde un número, por lo tanto, hay cuatro números cuánticos para cada electrón de un átomo. Los números cuánticos identifican y describen a cada electrón.
Estos 4 números cuánticos se denominan:
n número cuántico principal.
número cuántico secundario o azimutal.
m número cuántico magnético.
s número cuántico de spin.
Interpretación
n: número cuántico principal
: número cuántico secundario o azimutal
Determina la forma de la nube electrónica. Físicamente corresponde a la zona más probable donde encontrar un electrón. El número cuántico azimutal es propio de cada orbital y es independiente del nivel energético en el que probablemente se encuentre el electrón. Por convención los valores permitidos son:
Orbital
s 0
p 1
d 2
f 3
Orbital s: ( = 0)
Orbitales d: ( = 2)
m: número cuántico magnético
Determina la orientación espacial de la nube electrónica en respuesta al campo magnético ejercido por 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 de
orbitales
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 tres campos magnéticos distintos, el primero está asociado al movimiento del electrón en torno del núcleo y los otros dos son interpretados como movimientos de rotación del electrón respecto a su propio eje.
Si el electrón fuese considerado como una esfera, tendría dos sentidos de rotación: horario y antihorario.
Se acostumbra a asociar a esos dos sentidos de rotación (que en realidad son los dos campos magnéticos anteriormente 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
PRINCIPIO DE CONSTRUCCIÓN (AUFBAU)
Principio de Mínima Energía
Todos los electrones que forman parte de un átomo adoptan los 4 números cuánticos que les permiten tener la menor energía posible.
Puede afirmarse que, por regla general, los números cuánticos más bajos describen electrones de menor energía que los números cuánticos altos. Así el electrón con menor energía será aquel que tenga los siguientes números cuánticos:
n = 1 = 0 m = 0 s = +½
CONVENIO
Se asigna +½al spin del primer electrón en un átomo.
Principio de Exclusión de Pauli
“
No pueden existir en un mismo átomo dos electrones con sus cuatro números cuánticos iguales”. Sí pueden existir dos 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 para todos los orbitales de un átomo. A partir del sexto electrón y los demás se requiere citar un nuevo principio.Principio de 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 haya semicompletado la capacidad, sólo entonces se inicia el apareamiento. Dicho de otro modo, sólo cuando se haya semicompletado un nivel de energía con los electrones, la regla de hund permite el apareamiento y por tanto, completar el nivel electrónico.
De este modo la asignación de los números cuánticos para los primeros 10 electrones es la siguiente:
n m s
1º 1 0 0 +½
2º 1 0 0 -½
3º 2 0 0 +½
En la tabla siguiente aparece la distribución de los electrones en los niveles cuánticos:
Capa n m Número de TOTAL
electrones distribuidos
K 1 0(s) 0 2 2
L 2 1(p)0(s) -1,0,+10 26 8
M 3 1(p)0(s)
2(d) 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 2 6 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 2 6 10 14 32 Conclusiones relevantes
Los electrones se distribuyen de a pares:
2 en 1 orbital llamados s
6 en 3 orbitales llamados p (px, py y pz)
10 en 5 orbitales llamados d (dxy, dxz, dyz, dx -y2 2y d )z2
Las capacidades máximas de cada orbital son:
ORBITAL VALOR DE Nº MÁXIMO DE ELECTRONES
s 0 2
p 1 6
d 2 10
f 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 regla empírica sencilla, ésta es, que los electrones entran generalmente en aquel orbital que tenga 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 el valor más bajo de “n”.
Ejemplo: 3 d 3 + 2 = 5 4 p 4 + 1 = 5
LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS
El llenado de los niveles energéticos con electrones considerando el principio de construcción se conoce como “CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA”. Para el llenado con electrones debemos considerar los dos primeros números cuánticos, n y , el resto es seguir la lógica planteada por el principio 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 2
Q 7 7s 7p 8
P 6 6s 6p 6d 18
O 5 5s 5p 5d 5f 32
N 4 4s 4p 4d 4f 32
M 3 3s 3p 3d 18
L 2 2s 2p 8
K 1 1s 2
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
TEST DE EVALUACIÓN MÓDULO 04
1. El concepto de “electrones de valencia” se refiere a
A) los electrones del primer nivel energético. B) los electrones más atraídos por el núcleo. C) el número de electrones por nivel energético.
D) la cantidad de electrones en el nivel de mayor energía.
E) la equivalencia entre electrones y protones para un elemento.
2. ¿Cuál o cuáles de las siguientes afirmaciones NO es correcta respecto de los átomos y la configuración electrónica?
I) La configuración electrónica basal para el Hidrógeno es 1s0, 2s1
II) El átomo de Neón10Ne posee 2 niveles de energía completos con electrones. III) El número cuántico principal para el último electrón del átomo de Litio (Z=3)
es 2. A) Sólo I.
B) Sólo III. C) Sólo I y II. D) Sólo I y III. E) I, II y III.
3. Si un átomo en estado basal presenta la siguiente configuración electrónica extendida:
1s2, 2s2 2p6, 3s2 3p6, 4s1
La correcta configuración condensada es A) [10Ne] 4s1
B) [18Ar] 4s1 C) [10Ne] 4s2 D) [10Ne] 3p6 4s1 E) [18Ar] 3p6 4s2
4. El número de orbitales atómicos con electrones que presenta el elemento Cloro (Z=17) en estado basal es
A) 3 B) 5 C) 7 D) 9 E) 12
5. Considerando la configuración electrónica para el elemento 9F, el último electrón debiera
encontrarse en el orbital
6. Si un elemento químico en estado fundamental presenta 2 niveles energéticos con electrones y 4 electrones de valencia, debe presentar
A) 8 electrones en total. B) 5 orbitales atómicos. C) número atómico 6. D) número másico 6. E) 4 neutrones.
7. Si el átomo de Sodio (11Na) pierde un electrón, entonces
A) transmuta en Neón (10Ne). B) se transforma en un anión.
C) modifica la cantidad de neutrones.
D) emite desde el núcleo emisiones de tipo beta. E) disminuye el número de niveles con electrones.
8. La causa fundamental del paramagnetismo (sustancias atraídas por un campo magnético) es la presencia de 1 o más electrones desapareados. De la siguiente lista de elementos atómicos, ¿cuál debiera presentar este comportamiento?
A) 6C B) 20Ca C) 10Ne D) 12Mg E) 18Ar
9. El primer electrón ubicado en el primer orbital pX de cualquier átomo que lo contenga, tiene
número cuánticom de valor
A) 0 B) -1 C) +1 D) -2 E) +2
10. Los elementos con números atómicos 7 y 15, tienen en común el número de I) niveles energéticos con electrones.
II) electrones en el nivel de valencia. III) electrones desapareados
11. De la siguiente lista de especies químicas, aquella que presenta la mayor cantidad de niveles energéticos con electrones es
A) 15P-3 B) 21Sc+3 C) 17Cl+1 D) 22Ti+1 E) 19K+1
12. Los átomos4Be,12Mg y20Ca, tienen en común el número
A) atómico. B) de electrones. C) de neutrones.
D) de electrones en el nivel externo. E) de partículas en el núcleo.
13. Considerando la configuración electrónica de la pregunta 14, los respectivos números cuánticosn y
(principal y secundario) para el último electrón deben serA) 1 y 0 B) 2 y 1 C) 4 y 0 D) 3 y 2 E) 4 y 1
14. Si la configuración electrónica para un ion negativo es 1s2, 2s2 2p6, y el número atómico para
éste es 8, entonces se infiere que la carga del ion será
A) -1 B) +1 C) -2 D) +2 E) -3
15. Respecto del átomo de Aluminio cuyo número atómico es 13, se infiere correctamente que
A) posee 2 niveles de energía con electrones. B) presenta 3 electrones en el nivel más externo. C) tiene 8 electrones en el primer nivel de energía. D) es un átomo con comportamiento diamagnético.
E) 10 de sus electrones están ubicados en orbitales de tipo p.
DMON-QM04
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