Configuración electrónica

La configuración electrónica de un elemento es una representación de la estructura electrónica del átomo. Nos muestra dónde se ubican los electrones en los distintos niveles y subniveles energéticos y orbitales que rodean el núcleo atómico.

Para los 118 elementos confirmados, los electrones se posicionan en siete niveles energéticos o capas. El primero, 1, es el de menor energía y más cercano al núcleo atómico. Conforme aumenta el nivel energético, los electrones tendrán más energía, pero estarán más alejados del núcleo.

Representación simplificada de los tres primeros niveles energéticos

Dentro de cada nivel hay subniveles o subcapas que albergan electrones. Dependiendo del subnivel, podrá contener uno o más pares de electrones:

Subnivel s: es el subnivel más pequeño. Contiene un orbital, por lo que puede albergar un par de electrones, con un total de 2.
Subnivel p: contiene tres orbitales, por lo que puede albergar tres pares de electrones, con un total de 6.
Subnivel d: contiene cinco orbitales, por lo que puede albergar cinco pares de electrones, con un total de 10.
Subnivel f: contiene siete orbitales, por lo que puede albergar siete pares de electrones, con un total de 14.

Para saber en qué orden y cómo se colocan los electrones por niveles y subniveles, nos podemos servir del siguiente diagrama:

El diagrama está basado en el principio de Aufbau y la regla de ordenación de Madelung. En conjunto, ambos establecen que un átomo primero llena los niveles energéticos más bajos y subniveles más pequeños. Es decir, primero se llenará el nivel 1 y subnivel s, o 1s, antes del resto. Luego, los electrones ocuparán los subniveles 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, etc.

Para ilustrar cuántos electrones hay en un subnivel, nos servimos del superíndice. Por ejemplo, si el subnivel 2p de un átomo contiene cinco electrones, lo representamos como 2p5. De esta forma, la configuración electrónica de un átomo nos informa tanto de la ubicación de los electrones como de la cantidad.

Para terminar, podemos emplear la notación de Kernel para simplificar configuraciones electrónicas usando los gases nobles como referencia. Por ejemplo, la configuración del sodio se escribe como 1s2 2s2 2p6 3s1 o [Ne] 3s1, tomando como referencia el neón.

Ejemplos de configuración electrónica

Configuración electrónica del nitrógeno

El nitrógeno es un elemento que, en su isótopo más estable y abundante, contiene 7 electrones y protones. Al haber más de dos electrones, eso implica que el primer nivel se llenará completamente. Por lo tanto, empezamos con 1s2, o sea, dos electrones emparejados.

Faltan 5 electrones por ubicar. Según el diagrama, el siguiente nivel y subnivel es el 2s. Como siguen quedando más de dos electrones, este nivel también se llena y obtenemos 2s2. Los últimos 3 electrones se colocan en el subnivel 2p, dando lugar a 2p3.

En resumen, la configuración electrónica del nitrógeno es 1s2 2s2 2p3, o [He] 2s2 2p3 según la notación de Kernel

Configuración electrónica del calcio

El calcio es un elemento que posee 20 electrones y protones, por lo que es más pesado que el nitrógeno. Si partimos de la configuración electrónica anterior, vemos que podemos llenar los subniveles 1s2 2s2 2p6.

Los 10 electrones restantes se repartirán en los próximos subniveles. Si nos fijamos en el diagrama, vemos que los próximos tres subniveles son el 3s, 3p y 4s, los cuales suman un total de 10 espacios para electrones. Por lo tanto, estos subniveles también se llenan, dando lugar a 3s2 3p6 4s2.

Es decir, la configuración electrónica del calcio es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2, o [Ar] 4s2 según la notación de Kernel.

Configuración electrónica del bromo

El bromo contiene 35 electrones, o sea, 15 más que el calcio. Si miramos el diagrama, el próximo subnivel a llenarse tras completar la configuración del calcio es el 3d, con espacio para 10 electrones. Hay electrones de sobra, así que el subnivel se llenará, resultando en 3d10.

Los 5 electrones que quedan se colocan en el siguiente subnivel, 4p, todos emparejados excepto uno. Entonces, la configuración electrónica del bromo es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5, o [Ar] 4s2 3d10 4p5 según la notación de Kernel.

Alternativamente, la configuración se escribe como 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5, intercambiando 4s2 por 3d10 para tener los niveles energéticos ordenados de menor a mayor.

Configuración electrónica de todos los elementos

Abajo mostramos una tabla con todos los elementos confirmados, así como sus configuraciones electrónicas. Escribimos dichas configuraciones según la notación de Kernel, para simplificar y facilitar la legibilidad.

En el caso de los gases nobles, enmarcados en negrita, sí escribimos su configuración electrónica completa.

Número atómico

Nombre del elemento

Configuración electrónica

Hidrógeno

1s1

Helio

1s2

Litio

[He] 2s1

Berilio

[He] 2s2

Boro

[He] 2s2 2p1

Carbono

[He] 2s2 2p2

Nitrógeno

[He] 2s2 2p3

Oxígeno

[He] 2s2 2p4

Flúor

[He] 2s2 2p5

Neón

[He] 2s2 2p6

1s2 2s2 2p6

Sodio

[Ne] 3s1

Magnesio

[Ne] 3s2

Aluminio

[Ne] 3s2 3p1

Silicio

[Ne] 3s2 3p2

Fósforo

[Ne] 3s2 3p3

Azufre

[Ne] 3s2 3p4

Cloro

[Ne] 3s2 3p5

Argón

[Ne] 3s2 3p6

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Potasio

[Ar] 4s1

Calcio

[Ar] 4s2

Escandio

[Ar] 3d1 4s2

Titanio

[Ar] 3d2 4s2

Vanadio

[Ar] 3d3 4s2

Cromo

[Ar] 3d5 4s1

Manganeso

[Ar] 3d5 4s2

Hierro

[Ar] 3d6 4s2

Cobalto

[Ar] 3d7 4s2

Níquel

[Ar] 3d8 4s2

[Ar] 3d9 4s1

Cobre

[Ar] 3d10 4s1

Zinc

[Ar] 3d10 4s2

Galio

[Ar] 3d10 4s2 4p1

Germanio

[Ar] 3d10 4s2 4p2

Astato

[Ar] 3d10 4s2 4p3

Selenio

[Ar] 3d10 4s2 4p4

Bromo

[Ar] 3d10 4s2 4p5

Kriptón

[Ar] 3d10 4s2 4p6

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6

Rubidio

[Kr] 5s1

Estroncio

[Kr] 5s2

Itrio

[Kr] 4d1 5s2

Circonio

[Kr] 4d2 5s2

Niobio

[Kr] 4d4 5s1

Molibdeno

[Kr] 4d5 5s1

Tecnecio

[Kr] 4d5 5s2

Rutenio

[Kr] 4d7 5s1

Rodio

[Kr] 4d8 5s1

Paladio

[Kr] 4d10

Plata

[Kr] 4d10 5s1

Cadmio

[Kr] 4d10 5s2

Indio

[Kr] 4d10 5s2 5p1

Estaño

[Kr] 4d10 5s2 5p2

Antimonio

[Kr] 4d10 5s2 5p3

Telurio

[Kr] 4d10 5s2 5p4

Yodo

[Kr] 4d10 5s2 5p5

Xenón

[Kr] 4d10 5s2 5p6

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6

Cesio

[Xe] 6s1

Bario

[Xe] 6s2

Lantano

[Xe] 5d1 6s2

Cerio

[Xe] 4f1 5d1 6s2

Praseodimio

[Xe] 4f3 6s2

Neodimio

[Xe] 4f4 6s2

Prometio

[Xe] 4f5 6s2

Samario

[Xe] 4f6 6s2

Europio

[Xe] 4f7 6s2

Gadolinio

[Xe] 4f7 5d1 6s2

Terbio

[Xe] 4f9 6s2

Disprosio

[Xe] 4f10 6s2

Holmio

[Xe] 4f11 6s2

Erbio

[Xe] 4f12 6s2

Tulio

[Xe] 4f13 6s2

Iterbio

[Xe] 4f14 6s2

Lutecio

[Xe] 4f14 5d1 6s2

Hafnio

[Xe] 4f14 5d2 6s2

Tántalo

[Xe] 4f14 5d3 6s2

Wolframio

Tungsteno

[Xe] 4f14 5d4 6s2

Renio

[Xe] 4f14 5d5 6s2

Osmio

[Xe] 4f14 5d6 6s2

Iridio

[Xe] 4f14 5d7 6s2

Platino

[Xe] 4f14 5d9 6s1

Oro

[Xe] 4f14 5d10 6s1

Mercurio

[Xe] 4f14 5d10 6s2

Talio

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p1

Plomo

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2

Bismuto

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3

Polonio

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p4

Astato

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p5

Radón

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p6

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 4f14 5d10 6s2 6p6

Francio

[Rn] 7s1

Radio

[Rn] 7s2

Actinio

[Rn] 6d1 7s2

Torio

[Rn] 6d2 7s2

Protactinio

[Rn] 5f2 6d1 7s2

Uranio

[Rn] 5f3 6d1 7s2

Neptunio

[Rn] 5f4 6d1 7s2

Plutonio

[Rn] 5f6 7s2

Americio

[Rn] 5f7 7s2

Curio

[Rn] 5f7 6d1 7s2

Berkelio

[Rn] 5f9 7s2

Californio

[Rn] 5f10 7s2

Einstenio

[Rn] 5f11 7s2

100

Fermio

[Rn] 5f12 7s2

101

Mendelevio

[Rn] 5f13 7s2

102

Nobelio

[Rn] 5f14 7s2

103

Laurencio

[Rn] 5f14 7s2 7p1

104

Rutherfordio

[Rn] 5f14 6d2 7s2

105

Dubnio

[Rn] 5f14 6d3 7s2

106

Seaborgio

[Rn] 5f14 6d4 7s2

107

Bohrio

[Rn] 5f14 6d5 7s2

108

Hasio

[Rn] 5f14 6d6 7s2

109

Meitnerio*

[Rn] 5f14 6d7 7s2

110

Darmstatio*

[Rn] 5f14 6d8 7s2

111

Roentgenio*

[Rn] 5f14 6d9 7s2

112

Copernicio*

[Rn] 5f14 6d10 7s2

113

Nihonio*

[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p1

114

Flerovio*

[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p2

115

Moscovio*

[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p3

116

Livermorio*

[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p4

117

Teneso*

[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p5

118

Oganesón*

[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p6

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 4f14 5d10 6s2 6p6 5f14 6d10 7s2 7p6

* Estos elementos contienen configuraciones electrónicas predichas, no probadas.

Otros detalles sobre las configuraciones electrónicas

Exceptuando el helio, todos los gases nobles terminan su configuración en Xs2 Xp6. Esta es la configuración electrónica más estable que puede tener un nivel energético, y es la razón por la que los gases nobles son poco reactivos.

El principio de exclusión de Pauli establece que dos partículas no pueden tener un mismo estado cuántico. Dos electrones en un mismo nivel y subnivel energético se diferencian por su espín o momento angular intrínseco, que puede ser +1/2 o -1/2. Al existir solo dos valores posibles, el orbital de un subnivel no admite más de dos electrones.

El principio de Aufbau y la regla de Madelung no se aplican a todos los elementos. En concreto, los metales de transición y varios de los elementos más pesados presentan configuraciones distintas a las esperadas. Veamos el caso del cromo.

Caso especial: configuración electrónica del cromo

El cromo es un elemento que alberga 24 electrones. Si deducimos la configuración electrónica paso a paso, sirviéndonos del diagrama, obtendríamos 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4.

Sin embargo, la configuración electrónica real es de 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5, o [Ar] 4s1 3d5 según la notación de Kernel. La razón es que el subnivel d es más estable estando medio lleno que conteniendo 4 electrones. Por ello, un electrón del subnivel s se desplaza hacia el subnivel d, resultando en 4s1 3d5.

Además del cromo, hay otros elementos cuya configuración no sigue el diagrama de forma estricta, como el níquel, el cobre, la plata o el cerio.

Átomo, Electrón y Orbitales atómicos.

Stephen se graduó en 2017 en Ingeniería de Sistemas Biológicos, y finalizó en 2020 los estudios del máster en Tecnologías Facilitadoras para la Industria Alimentaria y de Bioprocesos. Cursó ambos en EEAABB (Escuela de Ingeniería Agroalimentaria y de Biosistemas de Barcelona).

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