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Configuración electrónica

Configuración electrónica

Ah, los electrones. Esas diminutas partículas subatómicas que zumban en sus orbitales. Son casi 2.000 veces más ligeras que un protón y sólo tienen un tercio de su diámetro, pero son extraordinariamente importantes. Ya sabrás que el número de protones nos indica el elemento del átomo y el número de electrones, y su disposición nos dan su reactividad y sus propiedades químicas. Se trata de funciones muy importantes para unas partículas tan pequeñas. Pero, ¿cómo podemos averiguar la configuración electrónica de un elemento o un ion?

  • Este artículo trata de la configuración electrónica de los átomos.
  • Empezaremos por definir qué son las capas de electrones, las subcapas y los orbitales.
  • Luego aprenderemos las reglas de la configuración electrónica: el principio de Aufbau y la regla de Hund.
  • Después, pondremos a prueba nuestros conocimientos con numerosos ejemplos prácticos que muestran la configuración electrónica de varios elementos y iones.
  • A continuación, descubriremos las excepciones a las reglas de llenado.
  • Terminaremos explorando brevemente las pruebas de la configuración electrónica.

Configuración electrónica: definición

La configuración de los electrones, también conocida como configuración electrónica, es la disposición de los electrones en capas, subcapas y orbitales dentro del átomo.

Si no estás familiarizado con los términos anteriores, te recomendamos que consultes la sección de Capas de electrones para aprender un poco más sobre ellos.

Repasaremos rápidamente la definición de capa y subcapa.

Niveles electrónicos

Los niveles electrónicos también se conocen como las capas de electrones. Cada capa tiene un número cuántico principal específico. A medida que las capas se alejan del núcleo, su número cuántico principal aumenta y su nivel de energía es más alto.

Subcapas de electrones

Las subcapas son divisiones dentro de cada capa que también presentan diferentes niveles de energía: la subcapa s tiene la energía más baja, seguida de la p, la d y la f, esta última con una energía más alta. Cada subcapa contiene diferentes números de orbitales. Por ejemplo, la subcapa s tiene un solo orbital, mientras que la subcapa p tienen tres, la d tiene cinco y la f siete.

Orbitales de electrones

Los orbitales son regiones del espacio donde se encuentra un electrón el 95% de las vece, tienen formas diferentes en función de su subcapa y cada uno puede contener como máximo dos electrones, los cuales deben tener espínes diferentes,

Si juntamos todo esto, la configuración electrónica es simplemente el número de electrones que hay en cada orbital atómico, y en qué capa y subcapa se encuentran.

Espines

Un espín se define tradicionalmente como el sentido del giro sobre su propio eje que posee un electrón. Si la rotación tiene un sentido antihorario, decimos que es un espín positivo y se denota +1/2. Si, por el contrario, la rotación se da en sentido horario, lo llamamos espín negativo y se simboliza como -1/2.

Reglas de configuración de los electrones

Hay dos reglas principales que debes conocer y que te ayudarán a calcular la configuración electrónica de un átomo. Son la regla de Hund y el principio de Aufbau. Vamos a verlas una por una antes de ponerlas en práctica con algunos ejemplos.

El principio de Aufbau

En primer lugar, los electrones llenan primero la subcapa con el nivel de energía más bajo. A los átomos les gusta estar en un estado de energía más bajo y los electrones no son diferentes. En general, esto significa llenar primero las capas con números cuánticos principales más bajos, y dentro de la capa llenar primero la subcapa s, luego la subcapa p, luego la subcapa d, y así sucesivamente. Pero hay excepción: ¡el 3d tiene un nivel de energía más bajo que el 4s! Esto significa que se llenará primero.

El siguiente diagrama te recuerda los niveles de energía de las diferentes subcapas.

La regla de Hund

Los electrones no se llevan bien entre sí. Tiene sentido: son partículas negativas y, por lo tanto, si pones dos de ellas cerca, se repelerán con bastante fuerza. Por eso, dentro de las subcapas los electrones prefieren ocupar su propio orbital si pueden, y por eso llenarán primero un orbital vacío.

Estas dos reglas constituyen los fundamentos de la configuración electrónica. Pero antes de intentar calcular las configuraciones electrónicas de algunos elementos, tenemos que aprender a representar la configuración electrónica.

Representación de la configuración electrónica

Tenemos dos formas diferentes de representar la configuración electrónica:

  • La notación estándar.
  • Forma de caja.

Notación estándar

La primera manera de representar la configuración de los electrones es con la notación estándar. Este es quizás el método más sencillo; simplemente se enumeran las subcapas de electrones y se indica el número de electrones que contienen con un número en superíndice. Sin embargo, no hay que preocuparse por las subcapas vacías, simplemente se pueden omitir.

El carbono tiene dos electrones en cada una de las subcapas 1s, 2s y 2p. Escribe su configuración electrónica utilizando la notación estándar.

Este es un procedimiento muy sencillo. Escribimos los nombres de las subcapas en una línea y utilizamos números en superíndice para indicar cuántos electrones contienen. En este caso, cada una de las tres subcapas mencionadas tiene sólo dos electrones: 1s2 2s2 2p2.

Cuando se representan las configuraciones electrónicas de los elementos más pesados, escribir todas las subcapas resulta bastante cansado. Hay una forma de evitarlo: si se sabe que una especie tiene los mismos electrones que un gas noble, con la adición de algunos electrones adicionales, se escribe el nombre del gas noble entre corchetes y se añaden las subcapas de electrones adicionales de manera usual.

El estroncio tiene la misma configuración electrónica que el criptón, pero con dos electrones más en la subcapa s. Utiliza la notación estándar abreviada para representar su configuración electrónica.

Una vez más, este es un ejercicio muy facil. todo lo que tenemos que hacer es escribir [Kr] 5s2.

Diagrama de caja

El diagrama de caja es una representación de la configuración electrónica ligeramente más extensa, pero a diferencia de la notación estándar, muestra la posición de los electrones dentro de los orbitales individuales. Se representan los diferentes orbitales de cada subcapa mediante cajas cuadradas y se muestran los electrones mediante flechas verticales. Es tradicional dibujar el primer electrón de cada orbital apuntando hacia arriba (positivo, +1/2) y el segundo hacia abajo (negativo, -1/2) , indicando el espín de cada electrón.

Aquí está la configuración electrónica del carbono (1s2 2s2 2p2) en forma de caja:

Configuración electrónica del carbono configuración electrónica en forma de caja StudySmarterFigura 3. Configuración electrónica del carbono en forma de caja. Fuente: StudySmarter Originals

A continuación veremos cómo hemos calculado esta configuración de electrones

Configuración electrónica: ejemplos

Ahora pondremos a prueba nuestros nuevos conocimientos con algunos ejemplos. En primer lugar, calcularemos las configuraciones electrónicas de los elementos.

Utiliza el principio de Aufbau y la regla de Hund para calcular la configuración electrónica del carbono en forma de caja.

Verás que este es el ejemplo que hemos dado antes, pero ahora te explicaremos cómo hacerlo.

El carbono tiene un número de protones de 6, lo que significa que también contiene seis electrones. Según el principio de Aufbau, los electrones llenarán primero las subcapas de menor nivel de energía. Por lo tanto, dos electrones llenarán primero el orbital único en 1s. A continuación, otros dos electrones llenarán el orbital único en 2s, la subcapa con el siguiente nivel de energía más bajo. Esto deja dos electrones para llenar 2p. Sin embargo, según la regla de Hund, los electrones preferirán ir a orbitales separados dentro de la subcapa. La configuración general de los electrones se muestra a continuación.

Configuración electrónica del carbono en forma de caja StudySmarter

Figura 4. Configuración electrónica del carbono en forma de caja. Fuente: StudySmarter Original

Veámos otro ejemplo: el sodio.

Escribe la configuración electrónica del sodio usando la notación estándar.

El sodio tiene once electrones. Al igual que el carbono, sus dos primeros electrones llenarán 1s y los dos siguientes llenarán 2s. Los siguientes seis electrones llenarán 2p, dejando un electrón. Este se ubicará en 3s, el siguiente nivel de energía más bajo, como se muestra:

1s2 2s2 2p6 3s1

Siguiente: el oxígeno.

Calcula la configuración electrónica del oxígeno usando la forma de caja.

El oxígeno tiene ocho electrones. Sus dos primeros electrones ocupan el 1s, mientras que los dos segundos ocupan el 2s. Los cuatro siguientes van en 2p. Gracias a la regla de Hund, los tres primeros de estos cuatro se encuentran en orbitales separados. Sin embargo, la subcapa 2p solo tiene tres orbitales electrónicos, por lo que dos electrones compartirán su primer orbital:

Figura 5. Configuración de los electrones del oxígeno en forma de caja. Fuente: StudySmarter Originals

Es posible que hayas notado un patrón. La posición de un elemento en la tabla periódica está relacionada con la subcapa en la que se encuentra su electrón más externo. Un átomo neutro del grupo 2 siempre tiene su electrón más al exterior en una subcapa s, por ejemplo, mientras que un metal de transición tiene su electrón más al exterior en una subcapa d. Esto se muestra a continuación.

Configuración electrónica de los iones

Sabemos cómo rellenar las subcapas y los orbitales con electrones para formar átomos neutros, pero ¿cómo es que los átomos ganan o pierden electrones adicionales para formar iones?

  • Cuando se ganan electrones, se sigue la regla de Hund y el principio de Aufbau, como es habitual. Así se forma un anión negativo.
  • Cuando se pierden electrones, se pierden primero los del nivel de energía más alto, es decir, en orden inverso al de llenado. Así se forma un catión positivo. Sin embargo, hay otra excepción a la regla: los electrones 4s se pierden antes que los 3d.

Veamos un ejemplo.

Escribe la configuración electrónica de los iones Ca2+.

Los átomos de calcio, Ca, tienen la configuración electrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. Cuando pierden electrones, los pierden primero del nivel de energía más alto. En este caso, es el 4s. Los iones Ca2+ han perdido dos electrones y, por tanto, tienen la configuración electrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0. Esto también se puede escribir simplemente como 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.

Excepciones a la configuración electrónica

Probablemente ya habrás adivinado que, aunque la química es una asignatura lógica, siempre hay algunos casos que parecen ignorar todas las reglas estándar. Desgraciadamente, hay que aprenderlas, aunque dedicar tiempo a entender por qué se comportan de otra manera puede ayudarte a recordarlas.

Por ejemplo, el cromo. El cromo, Cr, tiene veinticuatro electrones y la configuración 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5. Un momento, ¿por qué sólo hay un electrón en la subcapa 4s? La configuración del cromo debería ser 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4. Pues bien, esto se debe a que las subcapas 4s y 3d son muy similares en cuanto a nivel de energía. El electrón solitario en 4s no experimenta ninguna repulsión porque no está emparejado, y esta reducida repulsión electrón-electrón compensa el hecho de que hay un electrón extra en el nivel de energía 3d ligeramente superior. Recurda que a los átomos les gusta estar en el estado energético más bajo posible.

El cobre, Cu, también tiene la configuración 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10, y no 11s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9. De nuevo se trata de una disposición de energía ligeramente reducida debido a la falta de repulsión electrón-electrón.

Pruebas de la configuración de los electrones

Para concluir este artículo, consideraremos brevemente algunas de las pruebas de la configuración de los electrones:

  • Los espectros de emisión atómica nos indican que existen diferentes niveles cuánticos de energía. Estos se producen cuando los electrones excitados emiten luz y vuelven a su estado básico, que es su nivel de energía más bajo. La longitud de onda y la frecuencia de la luz que emiten dependen del nivel energético del electrón.
  • Las energías de ionización sucesivas también nos dan pruebas de la existencia de capas de electrones. Los grandes saltos entre las sucesivas energías de ionización de un elemento indican que el electrón se pierde en una capa electrónica diferente que está más cerca del núcleo.
  • Las primeras energías de ionización nos indican la existencia de subcapas y orbitales. Por ejemplo, la disminución de la primera energía de ionización entre los grupos 2 y 3 muestra que existen subcapas s y p, mientras que la disminución de la primera energía de ionización entre los grupos 5 y 6 muestra que la subcapa p contiene tres orbitales.

No te preocupes si no conoces la energía de ionización. Puedes profundizar en ella en los artículos "Energía de ionización y Tendencias de la energía de ionización".

Configuraciones electrónicas de los átomos - Puntos clave

  • La configuración de los electrones también se conoce como configuración electrónica y describe la disposición de los electrones en un átomo.
  • Los electrones llenan las capas según sus niveles de energía, tal y como dictan el principio de Aufbau y la regla de Hund. Los electrones llenan primero las subcapas con un nivel de energía más bajo y, dentro de cada subcapa, prefieren ocupar su propio orbital.
  • Al formar iones, los electrones suelen perderse primero de la subcapa de mayor nivel energético.
  • Las excepciones a las reglas de llenado provienen del hecho de que las subcapas 4s y 3d son similares en nivel de energía. Recuerda siempre que la subcapa 4s se llena antes que la subcapa 3d.
  • Las primeras energías de ionización nos indican la configuración de los electrones.

Preguntas frecuentes sobre Configuración electrónica

La configuración de electrones, también conocida como configuración electrónica, es la disposición de los electrones en capas, subcapas y orbitales dentro del átomo.

Hay dos reglas principales de la configuración electrónica:

  • La regla de Hund: Se llenan primero las capas con números cuánticos principales más bajos, y dentro de la capa se lllena primero la subcapa s, luego la subcapa p, luego la subcapa d.  
  • El principio de Aufbau: Dentro de las subcapas los electrones prefieren ocupar su propio orbital si pueden, y por eso llenarán primero un orbital vacío.

El potasio está en el grupo 1 y periodo 4, entonces su último electrón será el 4s1 y su configuraciòn electrónica:

 1s2 2s2 2p3s2 3p4s1

o

[Ar] 4s1 

Cuando se ganan electrones, se sigue la regla de Hund y el principio de Aufbau. Así se forma un anión negativo. 


Cuando se pierden electrones, se pierden primero los que están en el nivel de energía más alto, es decir, en orden inverso al de llenado. Así se forma un catión positivo. Sin embargo, hay una excepción a la regla: los electrones 4s se pierden antes que los 3d.

El azufre está en el grupo 3 y el periodo 6, por lo que tiene 3 capas y 6 electrones en la última capa. Por lo tanto, su configuración electrónica será:

[Ne] 3s² 3p⁴ 

1s2 2s2 2p3s2 3p4

Cuestionario final de Configuración electrónica

Pregunta

¿Qué es la configuración electrónica?

Mostrar respuesta

Answer

Es la disposición de los electrones en capas, subcapas y orbitales dentro del átomo.

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Pregunta

¿Cuál es la masa relativa de un electrón?

Mostrar respuesta

Answer

1/1840

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Pregunta

¿Cuales son las dos direcciones en las que puede girar el espín?

Mostrar respuesta

Answer

Antihorario (se dibuja una flecha hacia arriba) y horairo (se dibuja una flecha hacia abajo).

Show question

Pregunta

¿Qué nos dice el principio de Aufbau?

Mostrar respuesta

Answer

Los electrones llenan primero el nivel de energía más bajo disponible.

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Pregunta

¿Qué nos dice la regla de Hund?

Mostrar respuesta

Answer

Los electrones llenan primero los orbitales vacíos del mismo nivel energético antes de emparejarse con otro electrón en un orbital.

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Pregunta

Ordena las siguientes subcapas según el orden en que pierden electrones. Empieza por la subcapa que pierde electrones primero: 3d, 4s, 3p, 2s

Mostrar respuesta

Answer

4s, 3d, 3p, 2s

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Pregunta

Un ion con carga 2+ tiene la misma configuración electrónica que el argón. Nombra el elemento que forma este ion.

Mostrar respuesta

Answer

Azufre

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Pregunta

Con respecto a la configuración electrónica del cobre, ¿Por qué hay un solo electrón en la subcapa 4s?

Mostrar respuesta

Answer

Las subcapas 4s y 3d son muy similares en nivel de energía. A los átomos les gusta estar en el estado energético más bajo posible. La falta de repulsión electrón-electrón en el 4s compensa la presencia de un electrón extra en el 3d, que tiene un nivel de energía ligeramente superior.

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Pregunta

¿Qué tres reglas rigen la configuración electrónica de un átomo?

Mostrar respuesta

Answer

Principio de Aufbau y regla de Hund.

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Pregunta

Si observamos espacios vacíos e incoherencias en la configuración electrónica de un elemento ¿puede este elemento estar en su estado fundamental?

Mostrar respuesta

Answer

No

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Pregunta

Según Aufbau, ¿pueden los electrones llenar primero los orbitales de mayor energía?

Mostrar respuesta

Answer

No, los electrones siempre van a llenar primero los orbitales de menor energía.

Show question

Pregunta

¿Pueden los electrones pasar del estado básico al estado excitado sin ninguna fuente de energía externa?

Mostrar respuesta

Answer

No, debido a que es necesario que haya un suministro de energía externa para que los electrones pasen a estados de mayor energía.

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Pregunta

Si un electrón tiene un estado de espín de +1/2 en un orbital, ¿qué estado de espín tendrá el otro electrón en el mismo nivel de energía?

Mostrar respuesta

Answer

-1/2 debido al principio de exclusión de Pauli que establece que los electrones deben tener siempre estados de espín opuestos.

Show question

Pregunta

¿Existe una periodicidad entre las configuraciones electrónicas de los átomos en el estado básico?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, los que tienen números atómicos consecutivos pueden mostrar que la configuración electrónica se superpone con un electrón extra en cada caso.

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Pregunta

¿Cómo se representan los átomos en estado excitado? (a diferencia de los átomos en estado básico).

Mostrar respuesta

Answer

Los átomos en estado excitado se representan con un asterisco junto al símbolo del elemento.

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Pregunta

¿Se puede determinar cualquier elemento observando su diagrama de configuración electrónica?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, sobre todo si se encuentra en su estado fudamental.

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Pregunta

¿Cómo se denominan al diagrama que representa la configuración electrónica de los átomos?

Mostrar respuesta

Answer

Diagramas de cajas.

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Pregunta

¿Cómo puede un átomo pasar del estado de excitación al estado de reposo?

Mostrar respuesta

Answer

Perdiendo energía. Lo que significa que se produce una emisión de energía que causará que el electrón pase de un estado de excitación a un estado de reposo, disminuyendo su nivel de energía.

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Pregunta

¿Cómo puede un átomo pasar del estado básico al estado excitado?

Mostrar respuesta

Answer

Ganando energía. Lo que significa que se se necesita una fuente externa que provea al electrón de energía suficiente para que pueda pasar de un estado de reposo a un estado de excitación, aumentando su nivel de energía.

Show question

Pregunta

¿Cómo puede un electrón ganar energía para pasar a una capa electrónica superior?

Mostrar respuesta

Answer

Absorbiendo energía en forma de luz.

Show question

Pregunta

¿Se puede determinar cuál es un elemento mirando su diagrama de configuración electrónica?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, si está en su estado fundamental o básico.

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Pregunta

¿Cómo puede un átomo pasar de su estado excitado al estado fundamental?

Mostrar respuesta

Answer

Por una pérdida de energía, lo que significa que un electrón bajará un nivel de energía. Esto provocará una emisión de energía.

Show question

Pregunta

¿Cómo puede un átomo pasar del estado fundamental al estado excitado?

Mostrar respuesta

Answer

Con un aporte de energía.

Show question

Pregunta

¿Qué tres reglas rigen la configuración electrónica de un átomo?

Mostrar respuesta

Answer

Principio de Aufbau, principio de exclusión de Pauli y regla de Hund.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las tres siguientes reglas afirma que los electrones llenan una capa de electrones de forma individual?

Mostrar respuesta

Answer

La regla de Hund.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Si una configuración electrónica tiene lagunas e incoherencias, el elemento especificado puede estar en su estado fundamental.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Pueden los electrones pasar del estado de reposo al estado excitado sin ninguna fuente de energía externa?

Mostrar respuesta

Answer

No, debido a la falta de energía necesaria para que los electrones pasen a estados de mayor energía.

Show question

Pregunta

Según el ____________ los electrones siempre tenderán a llenar el estado de energía más bajo posible (orbital) antes de pasar a los siguientes orbitales de mayor energía.

Mostrar respuesta

Answer

Principio de Aufbau.

Show question

Pregunta

Según el ____________________ puede haber un máximo de dos electrones por orbital, cada uno con un estado de espín opuesto.

Mostrar respuesta

Answer

Principio de exclusión de Pauli.

Show question

Pregunta

Según la ____________ los electrones llenan los subniveles individualmente, lo que significa que si hay otras "cajas" en el mismo orbital de energía, los electrones llenarán individualmente todas las cajas antes de empezar a emparejarse. 

Mostrar respuesta

Answer

Regla de Hund.

Show question

Pregunta

¿Cómo llamamos a los diagramas que representan la configuración electrónica dentro de los átomos?

Mostrar respuesta

Answer

Diagramas de flechas y cajas.

Show question

Pregunta

¿Cómo puede un electrón ganar energía para pasar a una capa electrónica superior?

Mostrar respuesta

Answer

Puede absorber una frecuencia del espectro electromagnético o un cuanto de luz.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: los electrones que se encuentran en el mismo orbital pueden tener el mismo estado de espín.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

Según el principio de Aufbau, ¿Los electrones pueden llenar primero los orbitales de mayor energía?

Mostrar respuesta

Answer

No, porque tienen que llenar primero las capas de menor energía.

Show question

Pregunta

¿Existe una periodicidad entre las configuraciones electrónicas de los átomos en el estado básico?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, los elementos que tienen números atómicos consecutivos pueden mostrar que la configuración electrónica se superpone con un electrón extra en cada caso.

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