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TEORIA CUÁNTICA Y LA ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS
1A
8A
2A
3A4A5ASA7A
Gases nobles.
3848586878
88
1828
Metales de transición.
núcleo de uno en uno para construir los elementos, los electrones se suman de la misma forma a los orbitales atómicos. Este procedimiento da un conocimiento preciso de las configuraciones electrónicas de los elementos en el estado fundamental. Como se verá después, el conocimiento de las configuraciones electrónicas es fundamental para entender y predecir las propiedades de los elementos; además, explica por qué la tabla periódica funciona tan bien. La tabla 7.3 muestra las configuraciones electrónicas de los elementos en su estado fundamental, desde el H (Z 1) hasta el Mt (Z 109). Con excepción del hidrógeno y del helio, las configuraciones electrónicas de todos los elementos se representan por un núcleo de gas noble, que muestra entre paréntesis el símbolo del gas noble que antecede al elemento a considerar, seguido por los símbolos de los subniveles superiores llenos que ocupan los niveles externos. Cabe señalar que las configuraciones electrónicas de los elementos que van del sodio (Z = 11) al argón (Z 18) siguen un patrón semejante a las de los elementos litio (Z = 3) hasta el neón (Z = ID). Como se mencionó en la sección 7.7, en un átomo polielectrónico primero se llena el subnivel4s y después el 3d (véase figura 7.24). Por tanto, la configuración electrónica del potasio (Z = 19) es ls22s22p63s23p64s'. Dado que Is22s22p63s23p 6 es la configuración electrónica del argón, resulta más sencillo escribir la configuración electrónica del potasio como [Ar]4s', donde [Ar] representa el "núcleo del argón". De la misma forma se puede escribir la configuración electrónica del calcio (Z = 20) como [Ar]4s 2• La colocación del electrón más externo del potasio en el orbital 4s (y no en el 3d) se sustenta en las evidencias experimentales. Las siguientes comparaciones también sugieren que ésta es la configuración correcta. Las propiedades químicas del potasio son parecidas a las del litio y el sodio, los primeros dos miembros de los metales alcalinos. En estos dos elementos, el último electrón está en un orbital s (no hay ambigüedad en la asignación de sus configuraciones electrónicas); en consecuencia, cabe esperar que el último electrón del potasio ocupe el orbital4s en lugar del 3d. En los metales de transición, los subniveles d están parcialmente llenos. o con facilidad forman cationes que tienen este subnivel incompleto. Los metales de la primera serie de transición van del escandio (Z = 21) al cobre (Z = 29). En esta serie, los electrones adicionales se acomodan en los orbitales 3d siguiendo la regla de Hund. Sin embargo, dos elementos se apartan de esta regla. La configuración electrónica del cromo (Z =24) es [Ar]4s 13d 5 y no [Ar]4s 23d 4 , como se podría esperar. En el cobre se observa el mismo patrón, ya que su configuración electrónica es [Ar]4s 13d lO en lugar de [Ar]4s 2 3d 9 • Esta distribución se explica porque hay una estabilidad ligeramente mayor con los subinveles semillenos (3d 5 ) y completamente llenos (3d 10). Los electrones que se encuentran en el mismo subnivel (en este caso, los orbitales d) tienen la misma energía pero distinta distribución espacial. En consecuencia, su apantallamiento mutuo es relativamente pequeño y el núcleo los atrae con mayor fuerza cuando tienen la configuración 3d 5 • De acuerdo con la regla de Hund, el diagrama de orbital para el Cr es Cr
[Ar]
Así, el Cr tiene un total de seis electrones no apareados. El diagrama de orbital para el cobre es Cu
litlitlitlitlitl
[Ar]
4s
1
3dlO
En este caso también se gana más estabilidad con el subnivel 3d completamente lleno. Los subniveles 4s y 4p se llenan con el patrón más sencillo en los elementos que van del Zn (Z = 30) al Kr (Z = 36). En el rubidio (Z = 37), los electrones comienzan a entrar por el nivel de energía n = 5.