Configuración electrónica

	`Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y Eduardo Resiulschi.` `Área disciplinar: Química.` `Responsable disciplinar: Silvia Blaustein.` `Temática: Distribución electrónica. Relación con la tabla periódica y propiedades.` `Nivel: Secundario, ciclo orientado.` `Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar.`

Propósitos generales

• Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.
• Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.
• Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.

Introducción a las actividades

La configuración electrónica es el modo en que los electrones de un átomo de un elemento se distribuyen alrededor del núcleo. De acuerdo con el modelo mecánico cuántico del átomo, la configuración electrónica indica en qué niveles y subniveles de energía se encuentran los electrones de un elemento.
La distribución de los electrones en un elemento ayuda a describir y entender sus propiedades. De esta manera se pueden responder algunas preguntas como:
• ¿Por qué los gases nobles o inertes no reaccionan?

• ¿Por qué los elementos que pertenecen a un mismo grupo tienen propiedades similares?

Objetivos de las actividades

Que los alumnos:
• escriban la configuración electrónica de los diferentes elementos según el nuevo modelo; • relacionen la configuración electrónica con la posición en la tabla periódica; • predigan propiedades químicas sobre la base de la configuración electrónica.

Actividad 1

En el estado fundamental de un átomo los electrones están distribuidos de tal forma que la energía de dicho átomo es mínima.
Para deducir la configuración electrónica de un átomo, se utiliza el principio de construcción (Aufbau). Este consiste en completar con electrones los orbitales atómicos en orden creciente de energía. Es decir, se comienza por el de menor energía, el nivel energético 1, donde sólo hay un orbital s que puede ubicar 2 electrones.
El número atómico del hidrógeno es 1, por lo tanto, para escribir su configuración electrónica sólo se debe ubicar un electrón. Este ocupará un orbital s del primer nivel energético, por lo tanto, su configuración electrónica puede escribirse de la siguiente forma:

nivel energético en orbital s hay un electrón

Se pueden representar los orbitales con una línea y los electrones con una flecha, que apuntará hacia arriba o hacia abajo para mostrar electrones girando en direcciones opuestas (con spines opuestos).

a) Escriban la configuración electrónica del He de la misma forma que se ha explicado.

Como en el primer nivel no se pueden ubicar más electrones, se continúan ubicando en el nivel 2. En este caso, existen dos subniveles de energía posibles: 2s y 2p. Siempre el subnivel s es el de menor energía (en cualquier nivel energético). Luego que se completa dicho subnivel con dos electrones, se siguen ubicando en el subnivel 2p. Los subniveles p son tres orbitales de igual energía donde se podrán ubicar seis electrones en total (dos en cada uno de ellos).
Además, se debe tener en cuenta que:
• No es posible que en un átomo dos electrones tengan los cuatro números cuánticos iguales. Esto implica que en un mismo orbital atómico solo se pueden ubicar dos electrones de spin opuesto (apareados). A esta regla se la conoce como el principio de exclusión de Pauli.
• Cuando hay más de un orbital en un subnivel, como en el caso de los orbitales p, primero se ubicará un electrón en cada orbital de igual energía y luego se aparearán. Al tener electrones desapareados, la repulsión es menor. Esto lo establece la regla de Hund. Por ejemplo, si se quiere escribir la configuración electrónica del boro, cuyo número atómico es 5, se deben distribuir esos 5 electrones en dos niveles energéticos de la siguiente manera:

b) Escriban de la misma forma la configuración electrónica de todos los elementos del período 2, del litio al neón. Busquen en la EQ Tabla (tabla periódica interactiva) los números atómicos de todos ellos.

La separación entre los niveles de energía va disminuyendo a medida que nos alejamos del núcleo. La separación entre el primer y el segundo nivel es grande, mientras que entre el nivel tres y el cuatro es menor.
Para visualizar un diagrama de distribución de niveles y subniveles energéticos, entren a:
Niveles de energía, subniveles y ortibales del átomo
Configuración electrónica
Como la separación de niveles disminuye, un subnivel de un nivel energético superior puede tener una energía ligeramente inferior a otro subnivel correspondiente a un nivel energético superior.

c) Busquen en el diagrama qué ocurre con el subnivel 3d y 4s.

Para recordar el orden de llenado de los diferentes orbitales se puede utilizar el diagrama de Möller o de las diagonales:

Para visualizar dicho diagrama y el orden de llenado, entren a Laboratorio virtual de química. Y para practicar el orden de llenado, utilicen la simulación Configuración electrónica.

d) Escriban la configuración electrónica de los siguientes elementos: sodio, azufre, cloro, argón y hierro.

Busquen los números atómicos de cada uno en la EQ Tabla. Utilicen las simulaciones anteriores para comprobar que sus respuestas son correctas.

Actividad 2

¿Qué relación existe entre la configuración electrónica y la ubicación de un elemento en la tabla periódica? (ver secuencia didáctica «Tabla periódica»).
El litio tiene un número atómico 3 y, por lo tanto, 3 electrones para ubicar. Su configuración electrónica es:

1s² 2s¹

El litio tiene dos niveles energéticos ocupados y se encuentra en el segundo período de la tabla. Por lo tanto, el mayor nivel energético ocupado indicará el período en el que se encuentra el elemento. Por otra parte, en el último nivel energético, el litio tiene un solo electrón. El litio se encuentra en el grupo IA. Por lo tanto, el número del grupo al que pertenecen los elementos representativos coincidirá con el número de electrones que se encuentren en el último nivel energético.
En el caso del boro, pertenece al grupo IIIA, ya que se suman los electrones que se encuentran en ambos subniveles del nivel 2 (2 electrones en el orbital 2s y 1 electrón 2p).
De esta forma, se puede separar la tabla periódica en bloques, dependiendo de cuál es la configuración electrónica externa de los elementos.

a) Utilicen la EQtabla para buscar los números atómicos de los siguientes elementos: sodio, potasio, magnesio, calcio, aluminio, carbono, silicio, nitrógeno, fósforo, oxígeno, azufre, flúor, cloro, helio y neón.

a.1) Escriban sus configuraciones electrónicas. Sobre la base de ellas, ubiquen los elementos en el período y grupo correspondiente.

a.2) Corroboren sus resultados en la EQtabla.

b) Utilicen el programa Draw de sus equipos portátiles para hacer un diagrama sencillo de la tabla periódica y separarla en bloques, según si las configuraciones electrónicas de los elementos terminen en un orbital s, en un orbital p, o en un orbital d.

Actividad 3

Se dijo que los elementos distribuyen sus electrones de manera que la energía es la menor posible. Las configuraciones más estables (de menor energía) son aquellas en las que los niveles de energía están completos (por ejemplo, 2s²) o en las que la mitad de un subnivel está lleno (por ejemplo, 2p³).
Las propiedades químicas de un elemento están relacionadas con el número de electrones en el último nivel energético, que son los que se transfieren en una reacción química y al formar una unión química.

a) ¿Por qué los gases nobles o inertes no reaccionan? Comparen las configuraciones electrónicas escritas para el helio, el neón y el argón, y establezcan cuál es la característica común a los tres, y su relación con el hecho de que no reaccionen con otros elementos al intercambiar electrones.

b) ¿Por qué los elementos que pertenecen a un mismo grupo tienen propiedades similares? Comparen las configuraciones externas de los elementos de la actividad 2, que pertenecen al mismo grupo, y saquen conclusiones.

Cuando el magnesio reacciona con otro elemento, cede dos electrones y forma una partícula cargada con dos cargas positivas (un ión), y por lo tanto dos electrones menos.
Escriban la configuración electrónica del ión formado por el magnesio, y compárenla con la obtenida para alguno de los gases nobles de la pregunta 1 de esta actividad. Represéntenlo con las herramientas del programa Writer, Word o ACD/ChemSketch de sus equipos portátiles.