8.5: Estructura Electrónica y Tabla Periódica

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Objetivos de aprendizaje

Relacionar las configuraciones electrónicas de los elementos con la forma de la tabla periódica.
Determinar la configuración electrónica esperada de un elemento por su lugar en la tabla periódica.

En el Capítulo 3, presentamos la tabla periódica como una herramienta para organizar los elementos químicos conocidos. En la Figura se muestra una tabla periódica\(\PageIndex{1}\). Los elementos se enumeran por número atómico (el número de protones en el núcleo), y los elementos con propiedades químicas similares se agrupan en columnas.

¿Por qué la tabla periódica tiene la estructura que tiene? La respuesta es bastante simple, si entiendes configuraciones de electrones, la forma de la tabla periódica imita el llenado de las subconchas con electrones.

La forma de la tabla periódica imita el llenado de las subconchas con electrones.

Empecemos por H y Él. Sus configuraciones de electrones son 1 s ¹ y 1 s ², respectivamente; con He, se llena el caparazón n = 1. Estos dos elementos conforman la primera fila de la tabla periódica (Figura\(\PageIndex{2}\))

Contorno de la tabla periódica vacía, con las primeras 2 conchas en la parte superior izquierda y derecha rellenas en verde. — Figura\(\PageIndex{2}\): La Subshell 1s. H y He representan el relleno del subshell 1s.

Los dos electrones siguientes, para Li y Be, entrarían en la subcapa de 2 s. La figura\(\PageIndex{3}\) muestra que estos dos elementos son adyacentes en la tabla periódica.

Tabla periódica vacía, con 2 cuadrados en la segunda fila a la izquierda rellenados en un color verde mostaza. — Figura\(\PageIndex{3}\): La Subshell 2s. En Li y Be, se está llenando el subcaparazón 2s.

Para los siguientes seis elementos, la subcapa de 2 p está siendo ocupada con electrones. En el lado derecho de la tabla periódica, estos seis elementos (B a Ne) se agrupan juntos (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Tabla periódica vacía, con 6 cuadrados en la segunda fila a la derecha rellenados en un color verde mostaza. — Figura\(\PageIndex{4}\): El Subshell 2p. Para B a Ne, se está ocupando el subshell 2p.

El siguiente subshell que se va a llenar es el subshell de 3 s. Los elementos que coinciden con esta subcapa que se está llenando, Na y Mg, vuelven a estar en el lado izquierdo de la tabla periódica (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Tabla periódica vacía, con 2 cuadrados en la tercera fila a la izquierda rellenados en un color verde mostaza. — Figura\(\PageIndex{5}\): El Subshell 3s. Ahora se está ocupando el subshell 3s.

A continuación, la subcapa 3 p se rellena con los siguientes seis elementos (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Tabla periódica vacía, con 6 cuadrados en la tercera fila a la derecha rellenados en un color verde mostaza. — Figura8.5.6: El Subshell 3p. A continuación, la subcapa 3p se llena de electrones.

En lugar de llenar la subcapa de 3 d a continuación, los electrones entran en la subcapa de 4 s (Figura\(\PageIndex{7}\)).

Tabla periódica vacía, con 2 cuadrados en la cuarta fila a la izquierda rellenados en un color verde mostaza. — Figura\(\PageIndex{7}\): La Subshell 4s. El subshell 4s se rellena antes que el subshell 3d. Esto se refleja en la estructura de la tabla periódica.

Después de llenar la subcapa de 4 s, la subcapa de 3 d se llena con hasta 10 electrones. Esto explica la sección de 10 elementos en el centro de la tabla periódica (Figura\(\PageIndex{8}\)).

Tabla periódica vacía, con 10 cuadrados en la cuarta fila en el centro rellenos en un color verde mostaza. — Figura\(\PageIndex{8}\): La Subshell 3d. El subshell 3d se rellena en la sección central de la tabla periódica.

Y así sucesivamente. A medida que vamos a través de las columnas de la tabla periódica, la forma general de la tabla describe cómo los electrones están ocupando las conchas y subconchas.

Las dos primeras columnas en el lado izquierdo de la tabla periódica son donde se están ocupando los subshells s. Debido a esto, las dos primeras filas de la tabla periódica se etiquetan como el bloque s. De igual manera, el bloque p es las seis columnas más a la derecha de la tabla periódica, el bloque d es las 10 columnas centrales de la tabla periódica, mientras que el bloque f es la sección de 14 columnas que normalmente se representa como separada del cuerpo principal de la tabla periódica. Podría ser parte del cuerpo principal, pero entonces la tabla periódica sería bastante larga y engorrosa. La figura\(\PageIndex{9}\) muestra los bloques de la tabla periódica.

Figura\(\PageIndex{9}\): Bloques en la Tabla Periódica. La tabla periódica se separa en bloques dependiendo de qué subcapa se esté llenando para los átomos que pertenecen a esa sección.

Los electrones en el caparazón de mayor número, más cualquier electrón en la última subcapa sin llenar, se denominan electrones de valencia; el caparazón de mayor numeración se llama caparazón de valencia. (Los electrones internos se llaman electrones centrales). Los electrones de valencia controlan en gran medida la química de un átomo. Si miramos solo la configuración electrónica de la capa de valencia, encontramos que en cada columna, la configuración electrónica de la concha de valencia es la misma. Por ejemplo, tomemos los elementos de la primera columna de la tabla periódica: H, Li, Na, K, Rb y Cs. Sus configuraciones electrónicas (abreviadas para los átomos más grandes) son las siguientes, con la configuración electrónica de la capa de valencia resaltada:

Mesa con dos columnas y 6 filas. La primera columna de la izquierda tiene varios elementos en las filas inferiores. La segunda columna de la derecha tiene las diferentes configuraciones de electrones correspondientes para el elemento especificado en las filas inferiores.
H:	1s ¹
Li:	1 s ² 2s ¹
Na:	[Ne] 3s ¹
K:	[Ar] 4s ¹
Rb:	[Kr] 5S ¹
Cs:	[Xe] 6S ¹

Todos ellos tienen una configuración electrónica similar en sus conchas de valencia: un solo electrón s. Debido a que gran parte de la química de un elemento está influenciada por electrones de valencia, esperaríamos que estos elementos tuvieran una química similar, y lo hacen. La organización de los electrones en átomos explica no sólo la forma de la tabla periódica, sino también el hecho de que los elementos de la misma columna de la tabla periódica tienen química similar.

El mismo concepto se aplica a las demás columnas de la tabla periódica. Los elementos en cada columna tienen las mismas configuraciones de electrones de concha de valencia, y los elementos tienen algunas propiedades químicas similares. Esto es estrictamente cierto para todos los elementos en los bloques s y p. En los bloques d y f, debido a que hay excepciones al orden de llenado de subconchas con electrones, conchas de valencia similares no son absolutas en estos bloques. Sin embargo, existen muchas similitudes en estos bloques, por lo que se espera una similitud en las propiedades químicas.

La similitud de la configuración electrónica de la capa de valencia implica que podemos determinar la configuración electrónica de un átomo únicamente por su posición en la tabla periódica. Considera Se, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{10}\). Se encuentra en la cuarta columna del bloque p. Esto significa que su configuración electrónica debe terminar en una configuración de electrones p ⁴. En efecto, la configuración electrónica de Se es [Ar] 4 s ² 3 d ¹⁰ 4 p ⁴, como se esperaba.

Tabla Periódica Vacía con 1 elemento etiquetado, Selenio (Se). — Figura\(\PageIndex{10}\): Selenio en la Tabla Periódica

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

A partir de la posición del elemento en la tabla periódica, predice la configuración electrónica de la capa de valencia para cada átomo (Figura\(\PageIndex{11}\)).

Las posiciones de Cloro, Calcio, Titanio y Estaño se muestran en la tabla periódica. — Figura\(\PageIndex{11}\): Varios Elementos en la Tabla Periódica

Solución

Ca se encuentra en la segunda columna del bloque s. Habríamos de esperar que su configuración electrónica termine con s ². La configuración electrónica del calcio es [Ar] 4 s ².
Sn se encuentra en la segunda columna del bloque p, por lo que esperamos que su configuración electrónica termine en p ². La configuración electrónica del estaño es [Kr] 5 s ² 4 d ¹⁰ 5 p ².

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

A partir de la posición del elemento en la tabla periódica, predice la configuración electrónica de la capa de valencia para cada átomo. Figura\(\PageIndex{11}\).

Contestar a: [Ar] 4 s ² 3 d ²
Respuesta b: [Ne] 3 s ² 3 p ⁵

Aplicación de Alimentos y Bebidas: Colores Artificiales

El color de los objetos proviene de un mecanismo diferente a los colores de neón y otras luces de descarga. Si bien las luces de colores producen sus colores, los objetos son coloreados porque reflejan preferentemente un cierto color de la luz blanca que brilla sobre ellos. Un tomate rojo, por ejemplo, es de color rojo brillante porque refleja la luz roja a la vez que absorbe todos los demás colores del arcoíris.

Muchos alimentos, como los tomates, son muy coloreados; de hecho, la afirmación común “primero comes con los ojos” es un reconocimiento implícito de que el atractivo visual de los alimentos es tan importante como su sabor. Pero ¿qué pasa con los alimentos procesados?

Muchos alimentos procesados tienen colorantes alimentarios agregados a ellos. Existen dos tipos de colorantes alimentarios: naturales y artificiales. Los colorantes alimentarios naturales incluyen azúcar caramelizada para moreno; achiote, cúrcuma y azafrán para varios tonos de naranja o amarillo; betanina de remolacha para púrpura; e incluso carmín, un tinte rojo intenso que se extrae de la cochinilla, un pequeño insecto que es un parásito en los cactus en América Central y del Sur. (Así es, ¡puede que estés comiendo jugo de insectos!)

Algunos colorantes son artificiales. En Estados Unidos, la Administración de Alimentos y Medicamentos aprueba actualmente sólo siete compuestos como colorantes artificiales en alimentos, bebidas y cosméticos:

Azul FD&C #1: Azul brillante FCF
FD&C Azul #2: Indigotina
Verde FD&C #3: Verde rápido FCF
RD&C Rojo #3: Erithrosine
Rojo FD&C #40: Rojo Allura AC
Amarillo FD&C #5: Tartrazina
FD&C Amarillo #6: Amarillo Atardecer FCF

Los colores de numeración inferior ya no están en el mercado o se han eliminado por diversas razones. Por lo general, estos colorantes artificiales son moléculas grandes que absorben ciertos colores de luz muy fuertemente, haciéndolos útiles incluso a concentraciones muy bajas en alimentos y cosméticos. Incluso en cantidades tan bajas, algunos críticos afirman que una pequeña porción de la población (especialmente los niños) es sensible a los colorantes artificiales e instan a que se reduzca o se detenga su uso. Sin embargo, los estudios formales de los colorantes artificiales y sus efectos sobre el comportamiento no han sido concluyentes o contradictorios. Muchas personas continúan disfrutando de alimentos procesados con colorantes artificiales (como los que se muestran en la figura que lo acompaña).

Cuatro colorantes artificiales para alimentos (Verde, rojo, azul y amarillo). — Colorantes artificiales de alimentos. Los colorantes artificiales de alimentos se encuentran en una variedad de productos alimenticios, como alimentos procesados, caramelos y tintes de huevo. Incluso los alimentos para mascotas tienen colorantes artificiales para alimentos en ellos. (CC por 2.0, Matthew Bland vía Flickr.)

Resumen

La disposición de los electrones en átomos es responsable de la forma de la tabla periódica. Las configuraciones de electrones se pueden predecir por la posición de un átomo en la tabla periódica.