Notación spdf: configuraciones electrónicas y electrones de valencia
Aprende a leer y escribir configuraciones electrónicas spdf, seguir el orden de llenado de las subcapas e identificar los electrones de valencia para Química del HSC.
Un átomo de cloro tiene 17 electrones. Quizá ya escribas su distribución por capas como \(2,8,7\). Eso te indica algo importante: el cloro tiene siete electrones en su capa externa. Pero oculta un detalle que se vuelve esencial en Química del HSC. Esos electrones no se distribuyen simplemente en tres capas sin estructura interna.
Dentro de cada capa hay subcapas, etiquetadas como \(s\), \(p\), \(d\) y \(f\). La configuración electrónica más precisa del cloro es
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]
Antes de continuar, haz una predicción. En \(3p^5\), ¿qué crees que significan por separado el 3, la \(p\) y el 5?
Describen tres cosas diferentes: qué capa, qué tipo de subcapa y cuántos electrones hay en esa subcapa. Una vez que puedas interpretar esas tres partes por separado, la notación spdf resulta mucho menos intimidante.
01Qué muestra realmente la notación spdf
Imagina un edificio de apartamentos.
El número de la capa te indica el piso. La letra de la subcapa te indica el tipo de habitación en ese piso. El superíndice te indica cuántos electrones ocupan ese tipo de habitación.
Así, en \(3p^5\):
- \(3\) significa la tercera capa electrónica
- \(p\) significa la subcapa \(p\)
- \(5\) significa que cinco electrones ocupan esa subcapa \(3p\)
La analogía del edificio de apartamentos es útil porque separa las tres funciones que cumple la notación. Sin embargo, no es exacta. Los electrones no son bolitas diminutas situadas en pequeñas habitaciones fijas. Los orbitales describen regiones asociadas con determinadas energías electrónicas y distribuciones de probabilidad.
Para Química del HSC, el primer paso importante es ser capaz de interpretar y construir correctamente la notación.
02Capas, subcapas y orbitales
Una capa se identifica mediante su número cuántico principal, \(n\). Para la primera capa, \(n=1\). Para la segunda capa, \(n=2\), y así sucesivamente.
Cada capa puede contener una o más subcapas.
| Capa | Subcapas disponibles |
|---|---|
| \(n=1\) | \(1s\) |
| \(n=2\) | \(2s, 2p\) |
| \(n=3\) | \(3s, 3p, 3d\) |
| \(n=4\) | \(4s, 4p, 4d, 4f\) |
Las letras \(s\), \(p\), \(d\) y \(f\) son etiquetas para distintos tipos de subcapa.
Cada subcapa contiene un determinado número de orbitales, y cada orbital puede contener como máximo dos electrones.
| Subcapa | Número de orbitales | Máximo de electrones |
|---|---|---|
| \(s\) | 1 | 2 |
| \(p\) | 3 | 6 |
| \(d\) | 5 | 10 |
| \(f\) | 7 | 14 |
De aquí se obtienen las capacidades que conviene conocer:
\[
s^2,\qquad p^6,\qquad d^{10},\qquad f^{14}
\]
Los superíndices representan cantidades de electrones, no potencias en el sentido matemático habitual. \(3p^4\) no significa «3p elevado a la cuarta potencia». Significa cuatro electrones en la subcapa \(3p\).
03Cómo leer una configuración electrónica
Considera el azufre:
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4
\]
Puedes comprobar la configuración sumando los superíndices:
\[
2+2+6+2+4=16
\]
Un átomo neutro de azufre tiene número atómico 16, por lo que debe contener 16 electrones. La cantidad coincide.
Esta es una de las comprobaciones de errores más rápidas que puedes hacer. Para un átomo neutro:
\[
\text{número de electrones}=\text{número atómico}
\]
Por ejemplo, si escribieras una configuración electrónica para el fósforo, cuyo número atómico es 15, y la suma de los superíndices fuera 16, algo habría salido mal.
Si necesitas repasar cómo cambia el número de electrones cuando los átomos se convierten en iones, consulta Configuración electrónica para Química del HSC: átomos e iones.
04Los electrones no llenan simplemente una capa por completo antes de comenzar la siguiente
Aquí está la parte que suele causar dificultades.
Podrías predecir que los electrones llenan todas las subcapas disponibles de la capa 3 antes de entrar en la capa 4. Eso parecería lógico si el número de la capa fuera lo único que determinara la energía.
Pero no es así.
Los electrones ocupan las subcapas disponibles en orden de energía creciente. Para los elementos que encontrarás habitualmente, el comienzo del orden de llenado es
\[
1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s,\ldots
\]
Observa esta parte, que puede parecer extraña:
\[
4s \text{ se llena antes que } 3d
\]
Por lo tanto, el potasio, que tiene 19 electrones, termina en \(4s^1\):
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1
\]
No continúa directamente hacia \(3d\).
Una forma útil de entenderlo es que el número de la capa te dice algo sobre el estado del electrón, pero por sí solo no proporciona el orden energético completo. Las subcapas \(4s\) y \(3d\) se solapan en energía de una forma que hace que falle un modelo simple de «terminar el piso 3 antes de empezar el piso 4».
Ejemplo resuelto: Escribe la configuración spdf del oxígeno
Escribe la configuración electrónica del estado fundamental de un átomo neutro de oxígeno.
Paso 1
El oxígeno tiene número atómico 8. Por lo tanto, un átomo neutro de oxígeno tiene 8 electrones.
Paso 2
La subcapa \(1s\) puede contener dos electrones:
\[
1s^2
\]
Hemos colocado 2 electrones, por lo que quedan 6.
Paso 3
La subcapa \(2s\) también puede contener un máximo de dos electrones:
\[
1s^2\,2s^2
\]
Ahora se han colocado cuatro electrones, por lo que quedan 4.
Paso 4
La subcapa \(2p\) puede contener hasta seis electrones, pero solo necesitamos colocar cuatro:
\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^4}
\]
Paso 5
\[
2+2+4=8
\]
La configuración representa los ocho electrones. También muestra que la capa externa del oxígeno, \(n=2\), contiene \(2+4=6\) electrones.
Ejemplo resuelto: Escribe la configuración spdf del bromo
Escribe la configuración electrónica del estado fundamental de un átomo neutro de bromo e identifica los electrones de su capa más externa.
Paso 1
El bromo tiene número atómico 35, por lo que un átomo neutro de bromo tiene 35 electrones.
Paso 2
Llena las subcapas en orden:
\[
1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p
\]
Esto da
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^5
\]
Paso 3
\[
2+2+6+2+6+2+10+5=35
\]
Por lo tanto, la configuración electrónica es
\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^5}
\]
Paso 4
El mayor número de capa presente es \(n=4\).
Los electrones de esa capa son
\[
4s^2\,4p^5
\]
por lo que hay
\[
2+5=7
\]
electrones en la capa más externa del bromo.
Observa que \(3d^{10}\) aparece entre \(4s^2\) y \(4p^5\) en la secuencia de llenado. Eso no significa que los electrones \(3d\) estén en la capa 4. El número escrito antes de la letra sigue indicando la capa.
05Cómo identificar los electrones de valencia a partir de la notación spdf
Para los elementos de los grupos principales que normalmente encuentras al comenzar a estudiar las configuraciones electrónicas, los electrones de valencia son los electrones de la capa ocupada más externa del átomo.
La regla para decidirlo es sencilla:
- Escribe o examina la configuración electrónica.
- Encuentra el mayor número de capa, \(n\).
- Cuenta los electrones de las subcapas que tengan ese número de capa.
Considera el fósforo:
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
\]
El mayor número de capa es 3.
Los electrones de la capa 3 son
\[
3s^2\,3p^3
\]
por lo que el fósforo tiene
\[
2+3=5
\]
electrones de valencia.
No mires únicamente el último superíndice. Si solo miraras el \(3\) de \(3p^3\), podrías decir incorrectamente que el fósforo tiene tres electrones de valencia. También debes incluir los electrones \(3s^2\).
Ejemplo resuelto: Determina los electrones de valencia del selenio
Un átomo neutro de selenio tiene la configuración
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^4
\]
¿Cuántos electrones de valencia tiene?
Paso 1
El valor más alto de \(n\) es 4.
Paso 2
Estas son
\[
4s^2\,4p^4
\]
Los electrones \(3d^{10}\) tienen \(n=3\), por lo que no forman parte de la capa más externa.
Paso 3
\[
2+4=6
\]
Por lo tanto, el selenio tiene
\[
\boxed{6\text{ electrones de valencia}}
\]
Esto es importante desde el punto de vista químico porque los electrones externos son los que participan más directamente cuando los átomos de los grupos principales forman enlaces o iones.
06Un atajo útil a partir de la tabla periódica
La tabla periódica y la notación spdf están estrechamente relacionadas.
Las grandes regiones de la tabla corresponden a la subcapa que se está llenando:
| Región | Subcapa que se está llenando |
|---|---|
| Dos columnas de la izquierda | bloque \(s\) |
| Seis columnas de la derecha | bloque \(p\) |
| Metales de transición centrales | bloque \(d\) |
| Dos filas separadas en la parte inferior | bloque \(f\) |
Por ejemplo, el cloro se encuentra en el bloque \(p\). Su configuración termina en
\[
3p^5
\]
El calcio se encuentra en el bloque \(s\). Su configuración termina en
\[
4s^2
\]
Esto no es solo un truco de memorización. La forma de la tabla periódica refleja las capacidades de las subcapas. La subcapa \(s\) admite 2 electrones, por lo que el bloque \(s\) tiene dos columnas de ancho. La subcapa \(p\) admite 6 electrones, por lo que el bloque \(p\) tiene seis columnas de ancho.
07El principal error conceptual: «los electrones de valencia son simplemente los últimos electrones escritos»
Eso funciona con suficiente frecuencia como para volverse peligroso.
Considera el cloro:
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]
El último término es \(3p^5\), pero el cloro no tiene cinco electrones de valencia.
Su capa más externa es la capa 3, que contiene tanto
\[
3s^2 \text{ como } 3p^5
\]
Por lo tanto, el cloro tiene siete electrones de valencia.
El problema se ve aún más claramente con el calcio:
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2
\]
Aquí, mirar solo el último término da, por casualidad, el número correcto de dos electrones de valencia. El atajo funcionó, pero solo por coincidencia. El método fiable consiste siempre en identificar primero la capa ocupada más externa.
08Ten cuidado con los metales de transición
Para los elementos de los grupos principales, definir los electrones de valencia como los electrones de la capa ocupada más externa funciona de forma clara.
Los metales de transición requieren más cuidado.
Considera el escandio:
\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]
La notación \([\ce{Ar}]\) significa «la misma configuración de electrones internos que el argón». Es una forma abreviada de evitar escribir repetidamente
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6
\]
Si utilizas la definición simple de capa más externa, el escandio tiene dos electrones con el mayor número de capa, \(n=4\).
Sin embargo, el electrón \(3d\) también puede participar en la química de los metales de transición. Por esta razón, en explicaciones más avanzadas sobre los electrones de valencia de los metales de transición pueden incluirse tanto los electrones \(s\) externos como los electrones \(d\) cercanos.
Por lo tanto, no apliques automáticamente un atajo válido para los grupos principales a todos los elementos de la tabla periódica. En una pregunta del HSC, utiliza la definición y el contexto químico que se estén evaluando. Para las configuraciones electrónicas de los elementos de los grupos principales, «capa ocupada con el mayor número» es la regla clara.
09Un método rápido para comprobar la notación spdf
Cuando te den una configuración electrónica o hayas escrito una, comprueba cuatro cosas.
1. ¿Coincide el número de electrones?
Para un átomo neutro, la suma de los superíndices debe ser igual al número atómico.
2. ¿Alguna subcapa ha superado su capacidad?
Recuerda:
\[
s^2,\quad p^6,\quad d^{10},\quad f^{14}
\]
Por lo tanto, \(2p^7\) es imposible.
3. ¿Tiene sentido el orden de llenado?
Por ejemplo, \(4s\) comienza a llenarse antes que \(3d\) en las configuraciones habituales del estado fundamental de los átomos neutros.
4. Si estás determinando los electrones de valencia, ¿has contado toda la capa externa?
No utilices automáticamente el último superíndice.
Estas cuatro comprobaciones detectan una proporción sorprendentemente grande de errores.
10Preguntas y soluciones
Pregunta 1
Un átomo neutro de magnesio tiene número atómico 12. Escribe su configuración electrónica spdf completa e indica el número de electrones de valencia.
Solución 1
La configuración electrónica es \(\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2}\), y el magnesio tiene \(\boxed{2}\) electrones de valencia.
Un átomo neutro de magnesio tiene 12 electrones. Al llenar las subcapas disponibles en orden se obtiene
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2
\]
Comprobando el número de electrones:
\[
2+2+6+2=12
\]
La capa ocupada más externa es \(n=3\). Esa capa contiene \(3s^2\), por lo que contiene dos electrones.
Por lo tanto, el magnesio tiene dos electrones de valencia.
Pregunta 2
Un átomo neutro tiene la configuración electrónica
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
\]
Identifica el elemento y determina su número de electrones de valencia.
Solución 2
El elemento es \(\boxed{\text{fósforo}}\), y tiene \(\boxed{5}\) electrones de valencia.
Primero, suma los electrones:
\[
2+2+6+2+3=15
\]
Un átomo neutro con 15 electrones tiene número atómico 15, que corresponde al fósforo.
La capa ocupada más externa es \(n=3\). Contiene
\[
3s^2\,3p^3
\]
por lo que el número de electrones de valencia es
\[
2+3=5
\]
Un error tentador es utilizar únicamente el último superíndice y responder tres. Los electrones \(3s\) están en la misma capa externa y también deben contarse.
Pregunta 3
Un estudiante propone la siguiente configuración electrónica del estado fundamental para un átomo neutro:
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^7
\]
Sostiene que los superíndices suman 19, por lo que la configuración debe representar al potasio. Explica si la configuración es válida y escribe la configuración correcta si es necesario.
Solución 3
La configuración es \(\boxed{\text{inválida}}\). La configuración correcta del estado fundamental del potasio es
\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1}
\]
El recuento de electrones del estudiante es correcto:
\[
2+2+6+2+7=19
\]
pero contar los electrones no es la única comprobación que debe hacerse.
Una subcapa \(p\) contiene tres orbitales, con un máximo de dos electrones en cada orbital. Por lo tanto, puede contener como máximo
\[
3\times2=6
\]
electrones.
El término \(3p^7\) es imposible.
Después de que \(3p\) alcanza su capacidad de seis electrones, el siguiente electrón ocupa \(4s\). Por lo tanto, el potasio es
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1
\]
La trampa consiste en suponer que un número total de electrones correcto garantiza una configuración electrónica correcta.
Pregunta 4
Dos estudiantes están analizando la configuración
\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3
\]
El estudiante A dice que el átomo tiene tres electrones de valencia porque el último término es \(4p^3\).
El estudiante B dice que tiene cinco electrones de valencia.
Determina qué número de electrones es correcto, identifica el elemento y explica el razonamiento.
Solución 4
El átomo es \(\boxed{\text{arsénico}}\), y para este átomo de los grupos principales el número correcto de electrones de valencia es \(\boxed{5}\).
Primero, cuenta todos los electrones:
\[
2+2+6+2+6+2+10+3=33
\]
Un átomo neutro con 33 electrones tiene número atómico 33, por lo que el átomo es arsénico.
La capa ocupada más externa es \(n=4\). Las subcapas que pertenecen a esa capa son
\[
4s^2\,4p^3
\]
Por lo tanto, el número de electrones de valencia es
\[
2+3=5
\]
El error del estudiante A consiste en tratar «la última subcapa escrita» como si significara «toda la capa de valencia». Los electrones \(4s^2\) también están en la capa 4.
Los electrones \(3d^{10}\) no se cuentan como electrones de la capa externa porque su número de capa es \(n=3\), aunque aparezcan después de \(4s^2\) en la secuencia de llenado escrita.
Pregunta 5
Un estudiante formula la siguiente regla:
«Para encontrar los electrones de valencia de un átomo, localiza el número más grande de su configuración spdf y suma todos los superíndices asociados a ese número».
Prueba la regla con el selenio:
\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^4
\]
y obtiene seis electrones de valencia.
A continuación, afirma que la misma regla proporciona una descripción completa de los electrones de valencia químicamente disponibles para todos los elementos, incluidos los metales de transición.
Evalúa la regla.
Solución 5
La regla es \(\boxed{\text{fiable para identificar los electrones de la capa externa de los átomos de los grupos principales, pero no es una regla general completa para los electrones de valencia de los metales de transición}}\).
Para el selenio, la regla funciona perfectamente. El mayor número de capa es \(n=4\), y las subcapas ocupadas con \(n=4\) son
\[
4s^2\,4p^4
\]
por lo que el selenio tiene
\[
2+4=6
\]
electrones de valencia en la capa externa.
La suposición implícita es que solo los electrones de la capa con el valor más alto de \(n\) pueden participar de forma significativa en el comportamiento químico.
Ese es un modelo útil para los elementos de los grupos principales, pero los metales de transición lo complican. Sus electrones \((n-1)d\) pueden estar lo bastante próximos en energía a los electrones \(ns\) externos como para que ambos puedan participar en la formación de enlaces y de iones.
Por ejemplo, el escandio tiene la configuración
\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]
La regla de la capa con el número más alto identifica los dos electrones \(4s\) como sus electrones de la capa externa. Sin embargo, el electrón \(3d\) también es relevante para la química del escandio.
Por lo tanto, la regla debe expresarse con mayor precisión:
Para los átomos de los grupos principales, encuentra la capa ocupada más externa y cuenta sus electrones para determinar el número habitual de electrones de valencia. Para los metales de transición, el significado de «electrones de valencia» depende del contexto químico y también puede incluir electrones \(d\).
Esta distinción resulta útil cuando pasas de las configuraciones electrónicas a las tendencias periódicas, la formación de iones y los enlaces químicos. La notación spdf no es simplemente una forma más larga de escribir \(2,8,7\). Muestra cómo se distribuyen los electrones dentro de cada capa, que es el detalle necesario para explicar por qué distintas partes de la tabla periódica se comportan de manera diferente.