Tabla periódica y configuración electrónica
La tabla periódica ordena los elementos por número atómico, y sus filas y columnas no son un capricho: reflejan cómo se llenan las capas de electrones. Este tema explica la configuración electrónica, los bloques de la tabla y por qué el tamaño de los átomos, la energía de ionización y la electronegatividad cambian de forma regular de un lado a otro.
Número atómico, grupos y periodos
El número atómico Z es el número de protones (y de electrones del átomo neutro). Los elementos de un mismo grupo (columna) tienen la misma configuración en su capa externa, y por eso se parecen químicamente; el periodo (fila) dice cuántas capas ocupa. La tabla se divide en bloques según el último subnivel que se llena: s (grupos 1 y 2), p (13 a 18), d (3 a 12, los metales de transición) y f (lantánidos y actínidos).
Configuración electrónica
Los electrones ocupan subniveles (s, p, d, f, con capacidad 2, 6, 10 y 14) en orden de energía creciente. El orden lo da la regla de Madelung: primero el subnivel de menor (con = 0, 1, 2, 3 para s, p, d, f) y, a igual , el de menor . Por eso el 4s se llena antes que el 3d.
Se abrevia con el gas noble anterior entre corchetes: el hierro, Z = 26, es [Ar] 3d⁶ 4s². Dentro de un subnivel los electrones primero se reparten de uno en uno con el mismo espín (regla de Hund) y luego se aparean. Hay excepciones cuando un subnivel d queda lleno o a la mitad, que es especialmente estable: el cromo es [Ar] 3d⁵ 4s¹ y el cobre [Ar] 3d¹⁰ 4s¹, no 3d⁴ 4s² ni 3d⁹ 4s².
Tendencias periódicas
La clave es la carga nuclear efectiva: la atracción que siente un electrón externo después del apantallamiento de los electrones internos. A lo largo de un periodo los protones aumentan pero los electrones nuevos entran en la misma capa y apantallan poco, así que la carga efectiva crece; bajando por un grupo se añade una capa entera, más lejos del núcleo.
| Propiedad | En un periodo (→) | En un grupo (↓) |
|---|---|---|
| Radio atómico | disminuye | aumenta |
| 1.ª energía de ionización | aumenta (con excepciones) | disminuye |
| Electronegatividad | aumenta | disminuye |
| Carácter metálico | disminuye | aumenta |
La energía de ionización es la energía para arrancar el electrón más externo de un átomo gaseoso; la electronegatividad (escala de Pauling) mide cuánto atrae un átomo los electrones de un enlace. Por eso los metales alcalinos (abajo a la izquierda) pierden electrones con facilidad y los halógenos (arriba a la derecha) los ganan: el flúor es el más electronegativo, 3.98.
Errores frecuentes
- Llenar el 3d antes que el 4s (o escribir el 4s antes que el 3d al quitar electrones: el Fe²⁺ es [Ar] 3d⁶, sin 4s).
- Olvidar las excepciones del Cr y el Cu (y de la plata y el oro, en la misma columna que el Cu).
- Confundir el periodo con el número de electrones de valencia.
- Esperar que la energía de ionización suba siempre en un periodo: baja en el grupo 13 y en el 16.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1Configuración del hierro
Solución
- Orden de Madelung: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ (18 electrones, el argón), 4s² (20) y quedan 6 para el 3d.
- Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s² = [Ar] 3d⁶ 4s². Por capas: 2, 8, 14, 2.
- El último subnivel que se llena es d → bloque d. Periodo 4 (capa más alta, n = 4). Grupo: 2 (del 4s) + 6 (del 3d) = 8.
Resuélvelo en Simuveliq
- En Química → Tabla periódica, haz clic en el Fe (o búscalo). La ficha da la configuración [Ar] 3d⁶ 4s², los electrones por capa 2, 8, 14, 2 y «Grupo · periodo · bloque» 8 · 4 · d.
Ejemplo 2La excepción del cobre
Solución
- Un electrón del 4s pasa al 3d y lo completa: Cu = [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Un subnivel d lleno es más estable que la diferencia de energía entre 4s y 3d, que a esa altura es muy pequeña.
- El cromo hace lo mismo para tener el 3d a la mitad (cinco electrones desapareados): Cr = [Ar] 3d⁵ 4s¹.
- Eso explica que el cobre forme Cu⁺ (pierde el 4s¹) además de Cu²⁺.
Resuélvelo en Simuveliq
- La ficha del Cu da [Ar] 3d¹⁰ 4s¹, electrones por capa 2, 8, 18, 1 y estados de oxidación habituales +1, +2. La herramienta aplica Madelung y corrige con la lista de excepciones conocidas; abre el Cr (24) para ver [Ar] 3d⁵ 4s¹.
Ejemplo 3El cloro y su ion
Solución
- Cl: [Ne] 3s² 3p⁵: periodo 3, bloque p, grupo 17 (los halógenos); tiene 7 electrones en la capa de valencia.
- Le falta uno para la configuración del argón. Su electronegatividad es alta (3.16) y su energía de ionización también (12.97 eV): le cuesta perder electrones y gana uno con facilidad → Cl⁻ = [Ne] 3s² 3p⁶ = [Ar].
- Con el sodio ([Ne] 3s¹, energía de ionización 5.14 eV, electronegatividad 0.93) forma NaCl: la diferencia de electronegatividad, 2.23, indica un enlace iónico.
Resuélvelo en Simuveliq
- La ficha del Cl da [Ne] 3s² 3p⁵, 1.ª energía de ionización 12.968 eV, electronegatividad 3.16 y estado de oxidación habitual −1 (y +1, +3, +5, +7). Abre el Na (11) para comparar.
Ejemplo 4Las dos irregularidades del periodo 2
Solución
- B: [He] 2s² 2p¹. El electrón que se arranca está en el 2p, de mayor energía y más apantallado por el 2s² que el 2s del Be.
- O: [He] 2s² 2p⁴. Los tres primeros 2p van solos (Hund, el N tiene 2p³ a la mitad); el cuarto se aparea con otro en el mismo orbital, y su repulsión facilita arrancarlo.
- Fuera de esos dos puntos la tendencia es la esperada: de 5.39 eV (Li) a 21.56 eV (Ne).
Resuélvelo en Simuveliq
- En la Tabla periódica, cambia Color a «1.ª energía de ionización»: la tabla se pinta como mapa de calor y se ve la tendencia; la ficha del O da 13.618 eV y la del N, 14.534 eV.
Ejemplo 5Bajando por el grupo 1
Solución
- Radios covalentes: Li 128 pm, Na 166, K 203, Rb 220, Cs 244 pm: cada periodo añade una capa.
- Energía de ionización: Li 5.39 eV, Cs 3.89 eV. El electrón 6s¹ del cesio está mucho más lejos del núcleo y apantallado por 54 electrones internos.
- Perder ese electrón es lo que hacen los alcalinos al reaccionar con el agua; cuanto más fácil, más rápida y violenta la reacción.
Resuélvelo en Simuveliq
- La ficha del Cs da [Xe] 6s¹, 1.ª energía de ionización 3.8939 eV y radio covalente 244 pm; con Color = «Radio covalente» se ve cómo crece el tamaño hacia abajo y a la izquierda.