¿Alguna vez te has preguntado cómo es un átomo en su estado natural? Es decir, sin que haya sido modificado de ninguna forma: ni su número de electrones, ni protones, ni su estado físico (sólido, líquido o gaseoso), etc. Pues bien, el estado natural de un átomo se denomina estado fundamental. Gracias a él, los elementos tienen las características que los distinguen. Sin embargo, este estado natural puede llegar a cambiar posteriormente, cuando se somete a modificaciones naturales o artificiales (hechas por el ser humano).
Fig. 1: Representación de un átomo
- En este artículo verás la definición del estado fundamental del átomo.
- Aprenderás cómo se puede definir el estado excitado de un átomo.
- A continuación, entenderás lo que es la configuración electrónica en el estado fundamental.
- También comprenderás la diferencia entre el estado básico y el estado excitado de los átomos, en el contexto de la configuración electrónica.
¿Qué es el estado fundamental de un átomo?
El estado fundamental o básico de un átomo es el nivel de energía más bajo posible del átomo en cuestión. Es decir, es el estado básico de un átomo que no está cargado ni excitado por fuentes externas.
A continuación se muestra el diagrama de la configuración electrónica del carbono en estado fundamental:
Fig. 2: Diagrama de la configuración electrónica del carbono en estado fundamental.
Las fuentes de excitación pueden ser la luz (como, por ejemplo, los fotones) o cualquier otra longitud de onda del espectro electromagnético. Cuando cantidades discretas de energía (como los cuantos) excitan el átomo, se desencadenan ciertos reordenamientos subatómicos y un cambio en la configuración electrónica.
Pero, en este caso, el estado básico se refiere al estado en el que no se produce este proceso y se concentra en el átomo en su estado habitual sin carga.
Entonces, ¿qué significa el estado fundamental, en términos de los electrones dentro de un átomo? Cuando se habla del estado básico de un átomo, se trata de la configuración electrónica y los estados de energía de los electrones presentes en el átomo.
En este caso, el estado energético de los electrones se refiere a los niveles de energía de los electrones, que pueden estar excitados (si la excitación se produce a partir de una fuente externa) o no excitados, lo que llamamos estado fundamental. Esto significa que en el estado fundamental, el átomo no está excitado y, por tanto, ninguno de los electrones está excitado; los electrones se encuentran en su estado energético más bajo posible.
Hay una serie de factores que determinan el posicionamiento del electrón dentro de un átomo, que trataremos en el siguiente apartado. Sin embargo, es importante recordar que los electrones pueden ocupar diferentes estados dentro de un átomo.
Configuración electrónica en estado fundamental
La configuración electrónica de un átomo —ya sea en su estado fundamental o excitado— es la disposición que toman los electrones alrededor del núcleo.
Entonces, ¿Cómo podemos visualizar las configuraciones electrónicas del estado básico? Pues, podemos utilizar los diagramas de configuración electrónica, como los diagramas de flecha y de caja. Aquí exploraremos qué son y cómo pueden usarse para representar átomos en el estado básico. Como la definición del estado básico de los átomos se refiere a sus niveles de energía electrónica, representarlos nos ayudará a entender el funcionamiento interno del átomo.
A continuación, veremos un diagrama de orbitales electrónicos vacíos:
Fig. 3. Diagrama de orbitales electrónicos vacío, en el que se pueden observar las casillas utilizadas
para ordenar los electrones que se encuentran en las distintas capas de los átomos de un elemento concreto.
¿Cómo llenan los electrones los orbitales?
Hay tres conjuntos de reglas en las que hay que pensar cuando se consideran estos problemas:
- Principio de Aufbau: los electrones siempre tenderán a llenar el estado de energía más bajo posible (orbital), antes de pasar a los siguientes orbitales de mayor energía.
- Principio de exclusión de Pauli: puede haber un máximo de dos electrones por orbital, cada uno con un estado de espín opuesto.
- Regla de Hund: 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.
Pero, ¿en qué se relaciona esto con la noción de estado fundamental? Puedes ver cómo se alinean preferentemente los electrones en un átomo en estado fundamental. En este caso, la manera en la que las capas se llenan de forma natural en un átomo será el estado fundamental.
Esto puede ser útil para determinar las configuraciones electrónicas en el estado fundamental de cualquier átomo, ya que si se aplican las tres reglas mencionadas anteriormente, se determinará el estado básico del elemento concreto. Esto se debe al hecho de que cuando los átomos están en un estado excitado, la disposición electrónica cambia y se desvía de las reglas canónicas de Aufbau, Pauli y Hund.
Por otra parte, podemos ver cómo la aplicación de las reglas nos dará las configuraciones en el estado fundamental de los electrones en un átomo dado, ya que eso sugerirá la forma en que los electrones se organizarían si no hubiera ninguna fuente externa de energía aplicada o cualquier tipo de desviación posible. Esto daría como resultado la configuración con los niveles de energía más bajos posibles; por lo tanto, la configuración del estado fundamental.
¿Qué es el estado excitado de un átomo?
El estado excitado de un átomo es aquel en el que algunos electrones se encuentran en niveles de energía superiores.
Esto, normalmente, se debe a que el átomo ha sido expuesto a una fuente de energía. Este aporte extra de energía lleva los electrones a moverse mucho más rápido de lo que lo hacen normalmente, lo que provoca el traslado hacia los niveles superiores de energía.
Lo primero que haremos en este apartado, para entender lo que es el estado excitado de un átomo, será compararlo con un átomo en estado fundamental y ver las diferencias que existen entre ambos.
Observa las dos configuraciones electrónicas siguientes.
En este ejemplo, el elemento modelo es el carbono (C) en estado fundamental, con dos electrones en los orbitales 1s y 2s, y 2 electrones en el orbital 2p, como se mostró en la Fig. 2.
En este otro caso, tenemos el carbono en estado excitado; podemos observar que tiene el orbital 1s completo, con dos electrones; el orbital 2s tiene solamente un electrón y en el 2p tiene los tres restantes:
Fig. 4: Diagrama de la configuración electrónica del carbono en estado excitado.
¿Notas alguna diferencia entre ellos? Uno de ellos sigue, claramente, las tres reglas que hemos expuesto antes (el principio de Aufbau, el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund).
El diagrama que representa el estado fundamental muestra a los electrones organizándose según estos tres principios clave. ¿En qué se diferencia el estado excitado? En particular, se puede ver cómo un electrón del orbital 2s pasa al orbital 2p. Como puedes observar, hay un agujero en el orbital 2s; es decir, falta un electrón en esa capa, lo que significa que los electrones no ocupan los estados de menor energía. A esto lo llamaremos estado excitado, ya que uno de los electrones tiene suficiente energía para subir un nivel energético; en este caso, al orbital 2p.
De la misma manera que ha ganado energía para subir a un estado excitado, el electrón puede emitir la energía de vuelta y volver a bajar al nivel de energía que ocupaba antes: el estado fundamental.
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Fig. 5: Paso de un átomo del estado de excitación al estado fundamental.
A modo de recordatorio, a continuación verás cómo se representa la disposición electrónica en los diagramas de cajas y flechas, según los niveles de energía ascendentes. Puedes utilizarlo para conocer la disposición de las partículas subatómicas y, lo que es más importante, para saber si el elemento en cuestión se encuentra en su estado básico.
Fig. 6: El principio de Aufbau aplicado a la configuración electrónica.
Ten en cuenta que el diagrama solo muestra la disposición electrónica hasta el orbital 4p, aunque hay elementos que van mucho más allá. Pero no hay que preocuparse por ellos, por ahora.
Estado fundamental de un átomo: ejemplos
Veamos unos ejemplos de la configuración electrónica del estado fundamental.
Echa un vistazo a la siguiente figura, que representa la configuración electrónica de los átomos desde el Boro hasta el Oxígeno
Fig. 7: Configuración electrónica que representa el estado básico de los elementos boro (B), carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O).
En el diagrama anterior puedes observar cómo los elementos dados en el ejemplo aumentan su número atómico en 1, por lo que su número de electrones también aumentará en 1. Pensando en el aumento gradual de electrones, observa lo que ocurre con la configuración electrónica de los elementos y, sobre todo, cómo cambia de un átomo a otro.
De esta manera, observarás las tendencias y verás cómo la regla de Hund juega un papel en la configuración electrónica. Todo esto muestra, en última instancia, que el estado básico de los átomos es un proceso que sigue un patrón y no se desvía de un átomo a otro. Utilizando estos ejemplos, puedes predecir cualquier configuración electrónica de los átomos en cuestión, y determinar si están en su estado básico o en su estado excitado.
Estado fundamental - Puntos clave
Se puede determinar el estado de un átomo con su configuración electrónica.
El estado fundamental de un átomo se refiere a un estado no excitado.
La excitación se produce cuando un electrón sube de estado energético.
El estado electrónico de los átomos puede determinarse mediante el principio de Aufbau, el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund.
La configuración electrónica presenta periodicidad, como se observa en los ejemplos de estados básicos atómicos.
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