1.7: Estructura atómica y configuración electrónica

Como aprendimos en la Sección 1.1, la teoría atómica moderna coloca protones y neutrones en el núcleo de un átomo y los electrones se colocan en una nube difusa que rodea a este núcleo. A medida que químicos y físicos comenzaron a examinar la estructura de los átomos, sin embargo, se hizo evidente que todos los electrones en los átomos no eran equivalentes. Los electrones no se colocaron aleatoriamente en una “nube” masiva, sino que parecían estar dispuestos en distintos niveles de energía y se requería energía para mover electrones de un nivel de energía inferior a uno superior. A principios del siglo XIX se desarrolló un modelo matemático de estructura atómica que definió estos niveles de energía como niveles cuánticos, y hoy en día esta descripción se conoce generalmente como mecánica cuántica.

Según el modelo cuántico del átomo, el electrón para los elementos conocidos puede residir en siete niveles cuánticos diferentes, denotados por el número cuántico principal n, donde n tiene un valor de uno a siete. A medida que aumenta el número cuántico, la energía promedio de los electrones que tienen ese número cuántico también aumenta. Cada una de las siete filas de la tabla periódica corresponde a un número cuántico diferente. La primera fila (n = 1) sólo puede acomodar dos electrones. Así, un elemento en la primera fila de la tabla periódica puede tener no más de dos electrones (el hidrógeno tiene uno, y el helio tiene dos). La segunda fila (n = 2) puede acomodar ocho electrones y un elemento en la segunda fila de la tabla periódica tendrá dos electrones en el primer nivel (está lleno) y hasta ocho electrones en el segundo nivel.

La teoría cuántica también nos dice que los electrones en un nivel de energía dado no son todos equivalentes. Dentro de un nivel de energía, los electrones residen dentro de los subniveles (o subconchas). Los subniveles para cualquier nivel dado se identifican por las letras, s, p, d y f y el número total de subniveles también viene dado por el número cuántico, n. El subnivel s puede acomodar dos electrones, el p tiene seis, el d tiene 10 y el f puede contener 14. Los elementos de la primera fila de la tabla periódica (n = 1) tienen electrones solo en el subnivel 1s (n = 1, por lo tanto solo puede haber un subnivel). El electrón simple en hidrógeno se identificaría como 1s1 y los dos electrones en helio se identificarían como 1s ². El flúor, en la segunda fila de la tabla periódica (n = 2), tiene un número atómico de nueve y por lo tanto tiene nueve electrones. Los electrones en flúor están dispuestos, dos en el primer nivel (1s ²), dos en el suborbital 2s (2s ²) y cinco suborbitales 2p (2p ⁵). Si tuviéramos que escribir la configuración electrónica para flúor, la escribiríamos como 1s ² 2s ² 2p ⁵. Cada uno de los subniveles en un átomo también está asociado con un orbital, donde un orbital es simplemente una región del espacio donde es probable que se encuentre el electrón.