Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

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Los diagramas atómicos consisten en una representación simplificada de la configuración electrónica de un átomo por capas o niveles de energía. Son una manera muy sencilla de ver la capa de valencia de un elemento asó como el número de electrones presentes en las capas internas, lo cual resulta útil para la predicción de las propiedades físicas y químicas de un elemento.

¿Cómo se construyen los diagramas atómicos?

La construcción de los diagramas atómicos se basa en la configuración electrónica del elemento. Es un proceso relativamente sencillo que se lleva a cabo de la misma manera para cada átomo de la tabla periódica. El proceso es el siguiente:

Paso #1: Escribir la configuración electrónica del elemento

La configuración electrónica se obtiene utilizando la regla de la lluvia y el número total de electrones del átomo en cuestión. Si se trata de un átomo neutro, el número de electrones coincide con el número atómico del elemento. Si, por el contrario, se trata de un ion, el número de electrones se calcula como el número atómico menos la carga eléctrica del ion (incluyendo su signo si es negativa). Es decir, se utiliza la siguiente fórmula:

Número de electrones de un ion

Una vez obtenido el número de electrones, se reparten en los distintos subniveles del átomo, llenando primero los de menor energía hasta que estén completamente llenos antes de pasar al siguiente orbital o subnivel. El orden de llenado viene determinado por la regla de Madelung, también conocida como la regla de la lluvia, y se esquematiza en la siguiente figura:

regla de la lluvia o regla de Madelung para la configuración electrónica

Es decir, el llenado se hace según la sumatoria de n+l, en lugar de únicamente considerar n. La lista de todos los subniveles con el número máximo de electrones que cabe en cada uno, siguiendo esta regla de llenado, es:

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d107p6

Existen más subniveles, pero ningún elemento de la tabla periódica alcanza a ubicar electrones en los mismos.

Paso #2: Agrupar los orbitales en orden creciente de nivel de energía

El llenado de los orbitales siguiendo el método de la lluvia no siempre produce la configuración electrónica ordenada por nivel principal de energía. Por esta razón, luego de llenar los subniveles, se deben agrupar por su valor de n o número cuántico principal.

Paso #3: Sumar los electrones en cada nivel de energía para obtener la configuración electrónica por capas

Una vez obtenida la configuración electrónica final sumamos el número de electrones en todos los orbitales presentes en cada nivel. De esta manera, se obtiene lo que se conoce como la configuración electrónica por niveles o por capas. Cada nivel principal de energía (i.e., cada valor de n), se identifica con una letra del abecedario en mayúscula, comenzando por la letra K, como se indica en la siguiente tabla:

nCapaNúmero de e
1KMáximo 2
2LMáximo 8
3MMáximo 18
4NMáximo 32
5OMáximo 50
6PMáximo 72
7QMáximo 98

El número máximo de electrones se coloca como referencia para verificar que no hubo ningún error en el conteo o distribución de electrones. Un átomo puede poseer menos que el máximo en sus últimas capas electrónicas, pero nunca puede tener más de dicho número.

Paso #4: Hacer un diagrama con tantas circunferencias concéntricas como el período en el que está el elemento

Al tener la configuración por capas ya estamos listos para construir el diagrama atómico. Solo basta con dibujar una serie de círculos concéntricos alrededor del núcleo atómico. Se debe dibujar un círculo por cada capa que contiene electrones. Así, si la configuración por capas de un átomo es K2  L5, entonces se deben dibujar dos círculos, uno para la capa K (n=1) y otro para la capa L (n=2). El número de capas electrónicas de un elemento, coincide con el período en el que está ubicado en la tabla periódica.

Paso #5: Comenzando por la circunferencia más pequeña (n=1), repartir los electrones en cada nivel de energía hasta agotarlos todos

Finalmente, se dibujan sobre cada una de estas circunferencias un pequeño círculo por cada electrón que contenga la respectiva capa. En el ejemplo anterior, (K2  L5) debemos colocar dos electrones en la primera circunferencia y 5 en la segunda. Se debe hacer lo posible por repartir los electrones lo más uniformemente posible.

Ejemplos de la construcción de diagramas atómicos de los elementos

Hidrógeno (H, Z=1)

Número de electrones: 1

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s1

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s1K1

Configuración electrónica por capas: K1

Número de capas ocupadas: 1

Diagrama atómico del hidrógeno:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Oxígeno (O, Z=8)

Número de electrones: 8

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p4

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p4L6

Configuración electrónica por capas: K2  L6

Número de capas ocupadas: 2 (dos círculos concéntricos)

Diagrama atómico del oxígeno:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Sodio (Na, Z=11)

Número de electrones: 11

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s1

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s1M1

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M1

Número de capas ocupadas: 3 (tres círculos concéntricos)

Diagrama atómico del sodio:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Aluminio (Al, Z=13)

Número de electrones: 13

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s2  3p1

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s2  3p1M3

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M3

Número de capas ocupadas: 3 (tres círculos concéntricos)

Diagrama atómico del aluminio:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Fósforo (P, Z=15)

Número de electrones: 15

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s2  3p3

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s2  3p3M5

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M5

Número de capas ocupadas: 3 (tres círculos concéntricos)

Diagrama atómico del Fósforo:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Calcio (Ca, Z=20)

Número de electrones: 20

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s2  3p6  4s2

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s2  3p6M8
44s2N2

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M8  N2

Número de capas ocupadas: 4 (cuatro círculos concéntricos)

Diagrama atómico del calcio:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Cinc (Zn, Z=30)

Número de electrones: 30

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s2  3p6  4s2  3d10

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s2  3p6  3d10M18
44s2N2

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M18  N2

Número de capas ocupadas: 4 (cuatro círculos concéntricos)

Diagrama atómico del cinc:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Germanio (Ge, Z=32)

Número de electrones: 32

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s2  3p6  4s2  3d10  4p2

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s2  3p6  3d10M18
44s2  4p2N4

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M18  N4

Número de capas ocupadas: 4 (cuatro círculos concéntricos)

Diagrama atómico del germanio:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Bromo (Br, Z=35)

Número de electrones: 35

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s2  3p6  4s2  3d10  4p5

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s2  3p6  3d10M18
44s2  4p5N7

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M18  N7

Número de capas ocupadas: 4 (cuatro círculos concéntricos)

Diagrama atómico del bromo:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Xenón (Xe, Z=54)

Número de electrones: 54

Configuración electrónica (método de la lluvia): 1s2  2s2  2p6  3s2  3p6  4s2  3d10  4p6  5s2  4d10  5p6

Número total de electrones por capa:

nSubnivelesCapaNúmero de e
11s2K2
22s2  2p6L8
33s2  3p6  3d10M18
44s2  4p6  4d10N18
55s2  5p6O8

Configuración electrónica por capas: K2  L8  M18  N18  O8

Número de capas ocupadas: 5 (cinco círculos concéntricos)

Diagrama atómico del xenón:

Diagramas atómicos mostrando la configuración electrónica por capas de los elementos

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Química (11th ed.). McGraw-Hill Interamericana de España S.L.

Miguel, J. (2020, July 14). Representación del átomo a partir del número atómico y el número másico utilizando el modelo planetario. EspacioCiencia.com. https://espaciociencia.com/representacion-del-atomo/

Montagud Rubio, N. (2022, February 15). Diagrama de Moeller: qué es, cómo se usa en Química, y ejemplos. Psicología y Mente. https://psicologiaymente.com/miscelanea/diagrama-moeller

Prototypes, C. L. (n.d.). Partes de una Actividad de Diagrama Atómico. Storyboard That. https://www.storyboardthat.com/es/lesson-plans/ensenanza-de-los-atomos/partes-del-%c3%a1tomo

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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