Configuración Electrónica

La configuración electrónica del átomo de un elemento corresponde a la ubicación de los electrones en los orbitales de los diferentes niveles de energía. Aunque el modelo de Scrödinger es exacto sólo para el átomo de hidrógeno, para otros átomos es aplicable el mismo modelo mediante aproximaciones muy buenas.

La manera de mostrar cómo se distribuyen los electrones en un átomo, es a través de la configuración electrónica. El orden en el que se van llenando los niveles de energía es: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p. El esquema de llenado de los orbitales atómicos, lo podemos tener utilizando la regla de la diagonal, para ello debes seguir atentamente la flecha del esquema comenzando en 1s; siguiendo la flecha podrás ir completando los orbitales con los electrones en forma correcta.

Escribiendo configuraciones electrónicas

Para escribir la configuración electrónica de un átomo es necesario:

• Saber el número de electrones que el átomo tiene; basta conocer el número atómico (Z) del átomo en la tabla periódica. Recuerda que el número de electrones en un átomo neutro es igual al número atómico (Z = p+).
• Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energía, comenzando desde el nivel más cercano al núcleo (n = 1).
• Respetar la capacidad máxima de cada subnivel (s = 2e-, p = 6e-, d = 10e- y f = 14e-).

Ejemplo:

Los orbitales se llenan en orden creciente de energía, con no más de dos electrones por orbital, según el principio de construcción de Aufbau.

Litio (Z = 3). Este elemento tiene 3 electrones. Empezaremos llenando el orbital de menor energía con dos electrones que tendrán distinto spin (ms). El electrón restante ocupará el orbital 2s, que es el siguiente con menor energía:

La flecha indica el valor del cuarto número cuántico, el de spin: para +1/2: ­ y para –1/2, respectivamente.
También podemos describir la distribución de electrones en el átomo de litio como:
Los electrones que tienen números de espín opuestos cancelan los efectos magnéticos y se dice que sonelectrones apareados. Un ejemplo son los dos electrones que ocupan el orbital 1s en el átomo de Litio. De manera similar decimos que el electrón que ocupa el orbital 2s orbital está desapareado.
En la tabla a continuación vemos como se distribuyen los electrones de los átomos en orden creciente a su número atomico (Z):

En el helio se completa el primer nivel (n=1), lo que hace que la configuración del He sea muy estable.
Para el Boro el quinto electrón se sitúa en un orbital 2p y al tener los tres orbitales 2p la misma energía no importa cuál de ellos ocupa.
En el carbono el sexto electrón podría ocupar el mimo orbital que el quinto u otro distinto. La respuesta nos la da:
la regla de Hund: la distribución más estable de los electrones en los subniveles es aquella que tenga el mayor número de espínes paralelos.Los electrones se repelen entre sí y al ocupar distintos orbitales pueden situarse más lejos uno del otro. Así el carbono en su estado de mínima energía tiene dos electrones desapareados, y el nitrógeno tiene 3.

El neón completa el nivel dos y al igual que el helio tiene una configuración estable.
Las configuraciones electrónicas pueden también escribirse de manera abreviada haciendo referencia al último nivel completo. Para ello, debemos ocupar la configuración de los gases nobles, ya que ellos tienen todos su orbitales completos con electrones (s2p6), como por ejemplo en el caso del helio (s2) y neon (s2p6) como se muestra en la tabla anterior.

• Así la configuración del sodio Na, la podemos escribir como [Ne]3s1
• También podemos escribir la configuración del litio como [He]2s1

A los electrones que pertenecen a un nivel incompleto se les denomina electrones de valencia.
El gas noble Argón representa el final del período iniciado por el sodio para n=3

1s 2s 2p 3s 3p

Ar 18

[Ne] 3s2 3p6

En el siguiente elemento, el potasio con 19 electrones, deberíamos empezar a llenar los orbitales 3d. Sin embargo el comportamiento químico del potasio es similar al de litio y el sodio, ambos con un electrón de valencia desapareado en un orbital s, por lo que al potasio le correspondería la configuración [Ar] 4s1. Por lo tanto, el orbital 4s tendrá que tener menor energía que los orbitales 3d (el apantallamiento de los electrones en los orbitales 3d es mayor que el de los electrones en los orbitales 4s).

Lo mismo ocurre a partir del elemento Sc (Z = 21) [Ar] 3d1 4s2. El último electrón no se agrega al subnivel 4p, sino al 3d, como lo indica el orden energético. Lo mismo sucede con las configuraciones de los emenetos Ti (Z = 22) y V (Z = 23). Con el cromo (Cr Z = 24) surge otra aparente anomalía porque su configuración es [Ar] 3d5 4s1. La lógica de llenado habría llevado a [Ar] 3d4 4s2, sin embargo la distribución fundamental correcta es la primera. Esto se debe a que el semillenado de orbitales d es de mayor estabilidad, puesto que su energía es más baja.

Con el cobre Cu Z = 29 sucede algo similar al cromo, pusto que su configuración fundamental es [Ar] 3d10 4s1. La configuración [Ar] 3d9 4s2 es de mayor energía. La configuración con 10 electrones en orbitales d, es decir, el llenado total de estos orbitales es más estable.

Svante August Arrhenius

(Uppsala, 1859 - Estocolmo, 1927) Físico y químico sueco. Perteneciente a una familia de granjeros, su padre fue administrador y agrimensor de una explotación agrícola.

Cursó sus estudios en la Universidad de Uppsala, donde se doctoró en 1884 con una tesis que versaba sobre la conducción eléctrica de las disoluciones electrolíticas, donde expuso el germen de su teoría según la cual las moléculas de los electrólitos se disocian en dos o más iones, y que la fuerza de un ácido o una base está en relación directa con su capacidad de disociación.

Esta teoría fue fuertemente criticada por sus profesores y compañeros, quienes concedieron a su trabajo la mínima calificación posible. Sin embargo, los grandes popes de la química extranjera, como Ostwald, Boltzmann y van't Hoff apreciaron justamente su teoría, y le ofrecieron su apoyo y algún que otro contrato, con lo que su prestigio fue creciendo en su propio país. La elaboración total de su teoría le supuso cinco años de estudios, durante los cuales sus compañeros fueron aceptando los resultados. Fue profesor de física en la Universidad de Uppsala (1884), en el Real Instituto de Tecnología de Estocolmo (1891), rector de la universidad de Estocolmo y director del Instituto Nobel de fisicoquímica (1905), cargo este último creado especialmente para él.

Gran hombre de ciencia, su trabajo abarcó campos muy dispares entre sí, entre los que destacan una teoría sobre la formación de los cometas basada en la presión de la radiación, una teoría cosmogónica que explicaba la evolución de los astros, una teoría acerca de la inmunología, la primera constatación del efecto invernadero (aumento de la temperatura de la atmósfera debido al aumento en la concentración de dióxido de carbono) y una teoría que fija el origen de la vida en la tierra como consecuencia del transporte a través del espacio y debido a la presión de la radiación de esporas procedentes de regiones remotas del espacio (teoría panespérmica).

Estudió también la influencia de la temperatura en las reacciones químicas, donde elaboró la ecuación que lleva su nombre. Por su trabajo en la la ionización de los electrólitos, que permite interpretar las leyes físicas de la electrólisis, le fue concedido en 1902 la prestigiosa medalla Davy de la Royal Society de Londres, en 1903 el premio Nobel de química y en 1911 la medalla Gibbs de los Estados Unidos. Entre sus obras destacan Tratado de física cósmica (1903) yLas teorías de la química, la Tierra y el Universo.

Amedeo Avogadro

Químico y físico italiano. Nació el 9 de junio de 1776 en Turín, Italia y murió el 9 de julio de 1856.

En 1792 se graduó como doctor en derecho canónico, pero no ejerció. En vez de ello, mostró verdadera pasión por la física y la química, y una gran destreza para las matemáticas. 

Recapacitando sobre el descubrimiento de Charles (publicado por Gay -Lussac) de que todos los gases se dilatan en la misma proporción con la temperatura decidió que esto debía implicar que cualquier gas a una temperatura dada debía contener el mismo número de partículas por unidad de volumen. Avogadro tuvo la precaución de especificar que las partículas no tenían por qué ser átomos individuales sino que podían ser combinaciones de átomos (lo que hoy llamamos moléculas).

Con esta consideración pudo explicar con facilidad la ley de la combinación de volúmenes que había sido anunciada por Gay-Lussac y, basándose en ella, dedujo que el oxígeno era 16 veces más pesado que el hidrógeno y no ocho como defendía Dalton en aquella época.

Enunció la llamada hipótesis de Avogadro: iguales volúmenes de gases distintos contienen el mismo número de moléculas, si ambos se encuentran a igual temperatura y presión.

Ese número, equivalente a 6,022· 10²³, es constante, según publicó en 1811. Como ha ocurrido muchas veces a lo largo de la historia las propuestas de Avogadro no fueron tomadas en cuenta, es más, Dalton, Berzelius y otros científicos de la época despreciaron la validez de su descubrimiento y la comunidad científica no aceptó de inmediato las conclusiones de Avogadro por tratarse de un descubrimiento basado en gran medida en métodos empíricos y válido solamente para los gases reales sometidos a altas temperaturas pero a baja presión.

Sin embargo, la ley de Avogadro permite explicar por qué los gases se combinan en proporciones simples.

Fue su paisano Cannizaro quién, 50 años más tarde, se puso a su favor y la hipótesis de Avogadro empezó a ser aceptada. A partir de entonces empezó a hablarse del número Avogadro.

Dimitri Ivanovich Mendeléiev

Dimitri Ivanovich Mendeléiev (Tobolsk, 8 de febrero de 1834 – San Petersburgo, 2 de febrero de 1907), con su imagen venerable y su vida llena de pasiones, es para muchos uno de las figuras más atractivas de la Historia de la Ciencia. Parece adecuado, pues, ahora que se cumplen cien años de su muerte, recordarle.

Mendeléiev luchó toda su vida contra unas circunstancias ciertamente adversas. Nada hacia pensar que este joven siberiano, que todos conocían en Tobolsk como Mitia, llegaría a ser uno de los grandes científicos de todos los tiempos. Fue el menor de 17 hermanos, su padre, Iván, se quedó ciego al poco de nacer Mitia y murió cuando éste tenía sólo 13 años. Es aquí cuando entra en escena uno de los personas centrales en la vida de Mendeléiev, su madre, María Dimitrievna, sin duda la heroína de esta historia. Imaginad por un momento la escena: una mujer viuda, sola en la Siberia del s. XIX, madre de 17 hijos, cuya fábrica acababa de arder. Pues bien, ante estas circunstancias, María decide vender lo poco que le queda, hacer las maletas y marchar con sus dos hijos pequeños Lisa y Mitia a Moscú, a 2.000 Km de distancia, para que su hijo, pudiera seguir estudiando. Sin duda, María fue la primera en ver la genialidad en los ojos inquietos de su pequeño Mitia.

En aquellos tiempos, Siberia era el lugar al que se enviaba a los represaliados políticos. De hecho, el propio tío de Mendeléiev, Bessargín, que tanto influyó en su interés por la Ciencia, estaba en Siberia por su ideas decembristas. Así que no es de extrañar que los siberianos no fueran bienvenidos en la capital de la Madre Rusia. A pesar de la insistencia de su madre, Mendeléiev no fue admitido en ninguna escuela moscovita. Pero esto no iba a detener a nuestra heroína. La pequeña familia formada por María, Lisa y Mendeléiev continuó su peregrinación académica hasta San Petersburgo, con lo que añadieron 650 Km más a sus espaldas. Allí tampoco tuvieron suerte al principio. Todo cambió cuando María habló con Plenov, director del Instituto Central, y amigo de su marido. Mendeléiev superó los exámenes de ingreso y pudo continuar sus allí sus estudios. La misión estaba cumplida. María, agotada por el enorme esfuerzo, murió a los tres meses de tuberculosis. Lisa, unos meses más tarde. Mendeléiev, con 18 años por entonces, fue el legado de estas extraordinarias mujeres rusas del mitad del s. XIX.

Él fue siempre consciente del enorme amor y sacrificio de su madre. Así lo reconoció en el prólogo de su libro Estudios de las soluciones acuosas según sus pesos específicos, en el que escribía: Me enseñaba con su ejemplo, corregía con amor, y con el fin de que me dedicara a la ciencia salió de Siberia conmigo agotando sus últimos recursos y fuerzas.

WOLFGANG ERNST PAULI

Wolfgang Pauli es sin duda uno de los físicos más importantes del siglo XX, en un periodo además lleno de grandes nombres, basta pensar en Einstein, Planck o Heisenberg. Sin embargo Wolfgang Pauli nunca llegó a gozar del nivel de popularidad de otros colegas suyos y a menudo se alude a él como el físico olvidado. Esta circunstancia se refleja en particular en el hecho de que no ha habido ninguna biografía completa de Pauli.

Wolfgang Pauli nació en Viena en 1900, y posteriormente adquirió la nacionalidad suiza y estadounidense. Aunque fue bautizado en la fe católica su padre era un médico y profesor universitario de descendencia judía, circunstancia ésta de especial trascendencia que lo adscribe al grupo de los científicos perseguidos por la Alemania nazi. Estudió en el Döblinger Gymnasium de Viena, donde se licenció en Física en 1918. Después de tan sólo dos meses publicó su primer artículo sobre la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. En julio de 1921 logró su doctorado en Física, tutelado por Arnold Sommerfeld, en la Universidad Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) de Múnich. Tras doctorarse público  un par de meses después un artículo para la “Enciclopedia de ciencias matemáticas” sobre la relatividad que recibió muy positivas críticas del propio Einstein y que aún hoy constituye una referencia sobre el tema.

Fue nombrado profesor de la Universidad de Hamburgo en 1923. Pasó un año en la Universidad de Gotinga como asistente de Max Born, y al año siguiente se trasladó al Instituto Niehls Bohr de Física Teórica en Copenhague.

En mayo de 1929 Pauli abandona la Iglesia Católica y en diciembre se casa con Katy Margarita Dëpner, de la cual se divorcia en 1930, tras poco menos de un año de matrimonio.

En 1928 es nombrado profesor de Física Teórica en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, en Suiza. Bajo su dirección, esta institución se convirtió en un importante centro de investigación en los años precedentes a la Segunda Guerra Mundial. Dicta después algunos seminarios en la Universidad de Míchigan en 1931 y en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton en 1935, donde trabaja de forma cercana con Einstein.

En 1931 Pauli propuso la existencia de una partícula eléctricamente neutra y de masa nula, denominada con posterioridad neutrino por Enrico Fermi. En 1934 se casa con Francisca Bertram, junto a quien permanecerá ligado hasta su muerte.

Es en esa época cuando la anexión de Austria por Hitler en 1938 lo convierte en ciudadano alemán y debe huir por la condición judía de su familia anteriormente mencionada. En 1940, por la Segunda Guerra Mundial se trasladó a Estados Unidos para hacerse cargo de la cátedra de física en Princeton.

En 1945 recibe el Premio Nobel de Física por su descubrimiento del Principio de exclusión, obteniendo la nacionalidad estadounidense en1946. Finalizado el conflicto mundial, regresa a Zúrich. Allí muere el 15 de diciembre de 1958, a los 58 años de edad.

Wolfgang Pauli también llama la atención en comparación con sus colegas por haberse atrevido a  combinar el estudio de la física con la psicología y la filosofía. Algunos vieron en él todo un místico lo que se veía reforzado por su pintoresca y poderosa personalidad. Es famosa la forma crítica y sarcástica con la que trataba a sus colegas. Su admiración por el profundo conocimiento de-física y el alto nivel de exigencia para con sus compañeros y consigo mismo le valieron la caracterización de  “La conciencia de la física”.

También se suele mencionar a título anecdótico, lo que sus compañeros denominaron “efecto Pauli”. El llamado efecto Pauli se refiere a las aparentemente misteriosas averías de los equipos técnicos, en presencia de determinadas personas, sobre todo los físicos teóricos. Fue bautizado con el nombre del físico teórico austriaco Wolfgang Pauli, en su honor, ya que en su presencia o cercanía, con frecuencia se averiaban los equipos. Se dijo que era tan buen teórico que cualquier experimento se autodestruía, simplemente debido a su presencia. Por temor al efecto Pauli, se cuenta que el físico experimental alemán-americano Otto Stern prohibió acercarse a Pauli a su laboratorio, a pesar de su amistad.

Durante un incidente ocurrido en un laboratorio de física en la Universidad de Göttingen, un costoso dispositivo de medición, sin motivo aparente, dejó de funcionar de repente. El jefe del grupo de investigación llegó a la conclusión de que habían sido víctimas del efecto Pauli, pero alguien respondió que Pauli estaba en ese momento en Zúrich, así que no era posible que fuese por él. Sin embargo, cuando contaron la historia a Pauli, éste recordó que en ese momento estaba en Göttingen en una estación de ferrocarril a la espera de tomar un tren. Este incidente fue relatado magistralmente por George Gamow en su libro Biografía de la Física: “Un hecho totalmente enigmático, que en un principio no parecía estar conectado para nada con la presencia de Pauli, ocurrió cierta vez en el laboratorio del profesor J. Franck, en Göttingen. Una tarde, apenas comenzadas las tareas, un complicado aparato destinado al estudio de los fenómenos atómicos se estropeó totalmente, sin razón aparente alguna. Pasado el mal rato, Franck escribió a propósito de esto una carta humorística a la casa de Pauli en Zürich, en la que le decía que en esta ocasión no era él el culpable. Tras cierto retraso, recibió una respuesta, pero el sobre mostraba estampillas de franqueo danesas. En ella Pauli le contaba que había ido a visitar a Bohr y que, más o menos a la hora del desastre en el laboratorio de Franck, su tren había estado detenido, por pocos minutos, en la estación de ferrocarril de Göttingen.”

Wolfgang Pauli estaba convencido (según su biógrafo Enz) de que el efecto que lleva su nombre era real. Markus Fierz, un colega cercano, dijo que “Pauli cree ciertamente en la existencia de este efecto”. Como Pauli consideraba la parapsicología como un campo de investigación serio, esto encajaría con su pensamiento científico.

Erwin Schrödinger

(Viena, 1887-id., 1961) Físico austriaco. Compartió el Premio Nobel de Física del año 1933 con Paul Dirac por su contribución al desarrollo de la mecánica cuántica. Ingresó en 1906 en la Universidad de Viena, en cuyo claustro permaneció, con breves interrupciones, hasta 1920. Sirvió a su patria durante la Primera Guerra Mundial, y luego, en 1921, se trasladó a Zurich, donde residió los seis años siguientes.

En 1926 publicó una serie de artículos que sentaron las bases de la moderna mecánica cuántica ondulatoria, y en los cuales transcribió en derivadas parciales, su célebre ecuación diferencial, que relaciona la energía asociada a una partícula microscópica con la función de onda descrita por dicha partícula. Dedujo este resultado tras adoptar la hipótesis de De Broglie, enunciada en 1924, según la cual la materia y las partículas microscópicas, éstas en especial, son de naturaleza dual y se comportan a la vez como onda y como cuerpo.

Atendiendo a estas circunstancias, la ecuación de Schrödinger arroja como resultado funciones de onda, relacionadas con la probabilidad de que se dé un determinado suceso físico, tal como puede ser una posición específica de un electrón en su órbita alrededor del núcleo.

En 1927 aceptó la invitación de la Universidad de Berlín para ocupar la cátedra de Max Planck, y allí entró en contacto con algunos de los científicos más distinguidos del momento, entre los que se encontraba Albert Einstein.

Permaneció en dicha universidad hasta 1933, momento en que decidió abandonar Alemania ante el auge del nazismo y de la política de persecución sistemática de los judíos. Durante los siete años siguientes residió en diversos países europeos hasta recalar en 1940 en el Dublin Institute for Advanced Studies de Irlanda, donde permaneció hasta 1956, año en el que regresó a Austria como profesor emérito de la Universidad de Viena.

Biografia de Werner Karl Heisenberg

(Wurzburgo, 1901-Munich, 1976) Físico alemán. Profesor en las universidades de Leipzig, Berlín, Gotinga y Munich, y director del Instituto de Física Kaiser Wilhelm y del Instituto Max Planck. Colaboró en las investigaciones alemanas para la consecución de la energía nuclear. Considerado como uno de los fundadores de la mecánica cuántica, son de singular importancia sus trabajos sobre la física del átomo y sobre la mecánica cuántica. Particularmente importante es su principio de indeterminación . Sus últimas investigaciones estaban encaminadas a la consecución de una teoría del campo unitario. En 1932 recibió el premio Nobel de física. Entre sus obras destacan Física del núcleo atómico (1943), La imagende la naturaleza en la física actual (1955) y Física y filosofía (1959).