Como ya sabes, cada átomo está formado por un núcleo atómico y una nube electrónica. El núcleo atómico contiene protones y neutrones. La nube electrónica, por su parte, contiene los electrones del átomo. La forma exacta en que estos electrones se distribuyen en la nube electrónica viene indicada por la llamada configuración electrónica, que podemos conocer gracias al diagrama de Moeller. En este artículo aprenderás más sobre esto, ¡Quédate para ampliar tus conocimientos!
Fig. 1: Estructura atómica. En este caso, es del Litio (Li).
Este artículo trata sobre el diagrama de Moeller.
En primer lugar, estudiaremos qué es la configuración electrónica, así como varios conceptos asociados.
A continuación, veremos qué es el diagrama de Moeller o regla de las diagonales.
Después, estudiaremos cómo se lleva a cabo el llenado de orbitales con la regla de Madelung.
Para terminar, resolveremos algunos ejemplos del diagrama de Moeller.
¿Qué es la configuración electrónica?
La configuración electrónica es la disposición de los electrones en capas, subcapas y orbitales dentro del átomo.
Cada átomo tiene electrones en su nube electrónica. El número de electrones de la nube electrónica de un átomo es el número atómico de ese elemento. Estos electrones están dispuestos en niveles de energía específicos alrededor del núcleo.
Las capas electrónicas o niveles electrónicos
Las capas electrónicas, o niveles de energía, son las órbitas que siguen los electrones alrededor del núcleo de un átomo.
A cada capa electrónica se le asigna un número, en función de su distancia al núcleo; se denomina número cuántico principal, n. Los números cuánticos principales comienzan en 1 y aumentan en 1 en cada nivel. Así, los cuatro primeros niveles de energía tienen los números cuánticos principales 1, 2, 3 y 4. Cuanto más alto es el número cuántico principal, más alto es el nivel energético de la capa y más alejado está del núcleo.
Las capas de mayor energía también pueden contener más electrones. La primera capa solo puede contener dos electrones; pero, la segunda ocho; y la tercera, dieciocho. La regla general para el número de electrones que puede contener una capa es 2n2, donde n es el número cuántico principal de la capa.
Por ejemplo, la segunda capa puede contener:
$$2\cdot 2^{2}=8\ electrones$$
Las subcapas electrónicas
Las capas electrónicas se dividen en subcapas más pequeñas. Cada nivel de energía —que es otro término para una capa electrónica— contiene una serie de subniveles.
Las subcapas son divisiones pequeñas —dentro de cada capa, o nivel de energía— que contienen orbitales.
Exploraremos las subcapas juntas, antes de pasar a los orbitales. Los cuatro primeros tipos de subcapas son:
Sin embargo, no todas las capas contienen todos los tipos de subcapas.
Por ejemplo, la capa más cercana al núcleo con n=1 solamente contiene una subcapa s. A esta subcapa la llamamos subcapa 1s. La segunda capa contiene las subcapas 2s y 2p, mientras que la tercera capa contiene 3s, 3p y 3d.
Los números cuánticos
Los números cuánticos son cuatro y tienen valores específicos, que pueden asignarse a los electrones.
Según el principio de Pauli, solamente puede asignarse una combinación de valores a cada electrón, de modo que cada electrón de un átomo puede describirse sin ambigüedades.
Los cuatro números cuánticos son los siguientes:
- Número cuántico principal (n): Indica la corteza en la que se encuentran los electrones (con n = 1, 2, 3, 4).
- Número cuántico secundario (l): Indica la forma del orbital (con l = 0, 1, 2, 3).
- Número cuántico de momento angular magnético (ml, también conocido como m): Indica el momento angular orbital de los electrones (con ml = -l, -(l-1), … , -1, 0, +1, … , +(l-1), +l).
- Número cuántico de espín (s): Indica la orientación de un espín respecto al eje z (con s = +1/2 ó -1/2).
El número cuántico principal (n)
El número cuántico principal, n, describe en qué capa electrónica se encuentra el electrón. Únicamente puede tomar números naturales.
El número cuántico secundario (l)
El número cuántico secundario, l, indica la forma del orbital en el que se encuentra el electrón respectivo. Puede asumir valores de 0 a n - 1, donde n representa el número cuántico principal.
Fig. 2: Observa las distintas formas de los orbitales.
El número cuántico de momento angular magnético (m)
El número cuántico magnético, m indica la orientación de un orbital en el espacio. Puede asumir los siguientes valores: -l, -(l - 1), … , -1, 0, 1, … , (l - 1), +l.
Como puedes observar, el número cuántico magnético depende del número cuántico secundario (l). Como los orbitales p tienen el número cuántico secundario uno, el rango válido de valores para ellos es: -1, 0, 1.
El número cuántico de espín (s)
Con la información que tienes hasta ahora, puedes describir en qué envoltura se encuentra el electrón, en qué tipo de orbital se encuentra y cómo está dispuesto espacialmente este orbital. Ahora, solo necesitas saber de cuál de los dos electrones de un orbital se trata, para poder identificar claramente el electrón.
Con ayuda del número cuántico de espín magnético, s, se puede distinguir entre los dos electrones de un orbital.
- Aquí, s indica en qué dirección está orientado el espín; es decir, la rotación del electrón.
El número cuántico de espín magnético puede asumir dos valores, dependiendo de si el electrón gira en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario en relación con el eje z.
¿Qué es el diagrama de Moeller o la regla de las diagonales?
El diagrama de Moeller, también conocido como la regla de las diagonales, es un patrón utilizado para saber cuál es la configuración electrónica de un átomo, a partir de su número atómico.
La tabla de Moeller
Para poder hacer correctamente la configuración electrónica de un átomo, usamos la siguiente tabla:
Fig. 3: Tabla de Moeller. Las flechas indican el orden de llenado de las capas.
Llenado de orbitales: la regla de Madelung
La regla de Madelung nos dice que el llenado de orbitales se da en orden creciente de energía; es decir, en primer lugar se llenarán los orbitales de menor energía y, posteriormente, los de mayor energía.
Por lo tanto, para saber el orden de llenado de los orbitales, tendremos que conocer su nivel de energía. Como ya hemos visto, el nivel de energía viene dado por el número cuántico principal. Sib embargo, no tenemos que tener solo esto en cuenta: a medida que los orbitales son mayores, el nivel de energía aumenta. Debido a esto, en algunas ocasiones, tendremos (por ejemplo) orbitales d —de energía menor—, que tendrán más energía que un orbital s —que tendría que tener una energía mayor que el d—.
Esta regla explica el orden de llenado que se muestra en la tabla de Moeller. De hecho, el creador del diagrama de Moeller fue Erwin Madelung.
Ejemplos del diagrama de Moeller
Vamos a resolver ahora algunos ejercicios desejemplo del diagrama de Moeller:
¿Cuál es la configuración electrónica del manganeso (Mn)?
El número atómico del manganeso es Z = 25; por lo tanto, su configuración electrónica, teniendo en cuenta el diagrama de Moeller, será:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5
Hagamos otro ejemplo:
¿Cuál es la configuración electrónica del calcio (Z = 20)?
La configuración electrónica del calcio es la siguiente:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Vamos con el último:
¿Cuál es la configuración electrónica del bromo?
El número atómico del bromo (Br) es Z = 35. Por lo tanto, teniendo en cuenta el diagrama de Moeller, su configuración electrónica será:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5
¡Ya conoces todo sobre el diagrama de Moeller!
Diagrama de Moeller - Puntos clave
- La configuración electrónica es la disposición de los electrones en capas, subcapas y orbitales dentro del átomo.
- Las capas electrónicas o niveles de energía son las órbitas que siguen los electrones alrededor del núcleo de un átomo.
- El número cuántico principal, n, describe en qué capa electrónica se encuentra el electrón. Solamente puede tomar números naturales.
- El número cuántico secundario, l, indica la forma del orbital en el que se encuentra el electrón respectivo. Puede asumir valores de 0 a n - 1, donde n representa el número cuántico principal.
- El número cuántico magnético, m, indica la orientación de un orbital en el espacio. Puede asumir los siguientes valores: -l, -(l - 1), … , -1, 0, 1, … , (l - 1), +l.
- Con ayuda del número cuántico de espín magnético, s, se puede distinguir entre los dos electrones de un orbital. Aquí, s indica en qué dirección está orientado el espín; es decir, la rotación del electrón.
- El diagrama de Moeller, también conocido como la regla de las diagonales, es un patrón utilizado para saber cuál es la configuración electrónica de un átomo a partir de su número atómico.
- La regla de Madelung nos dice que el llenado de orbitales se da en orden creciente de energía; es decir, en primer lugar se llenarán los orbitales de menor energía y, posteriormente, los de mayor energía.
References
- Fig. 1: Atomic structure of Lithium (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atomic_structure_of_Lithium-7.svg) by Richie Bendall (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:Richienb&action=edit&redlink=1) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)
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