Los números cuánticos son valores numéricos que describen las propiedades de los electrones en un átomo. Estos números cuánticos se utilizan para describir la posición, el momento angular y la energía de los electrones.
Existen cuatro números cuánticos principales:
- Número cuántico principal (n) describe el nivel de energía en el que se encuentra el electrón. Puede tener valores enteros positivos (1, 2, 3...) y a mayor valor de n, mayor será la energía del electrón y mayor será su distancia del núcleo.
- Número cuántico secundario o azimutal (l) describe la forma de la órbita del electrón y está relacionado con el momento angular. Puede tener valores enteros positivos desde 0 hasta n-1. Para cada valor de n, existen valores posibles de l que van desde 0 hasta n-1.
- Número cuántico magnético (m) describe la orientación del momento angular del electrón en el espacio y puede tener valores desde -l hasta +l.
- Número cuántico de espín (s) describe el espín del electrón, que puede ser +1/2 o -1/2.
Cómo se sacan los números cuánticos
La configuración electrónica es la distribución de los electrones en los distintos niveles y subniveles energéticos de un átomo. Para poder obtener los números cuánticos de los electrones en un átomo es necesario conocer su configuración electrónica.
Existen dos métodos para obtener la configuración electrónica: el diagrama de Moeller y el modelo de kernel.
- El diagrama de Moeller es una representación gráfica de la configuración electrónica. Consiste en una tabla con filas para cada nivel de energía y columnas para cada subnivel energético. Los electrones se representan con flechas indicando su espín y su dirección en el subnivel energético correspondiente.
- Por otro lado, el modelo de kernel es una forma más simplificada de representar la configuración electrónica. En este modelo, se representan los electrones de los niveles exteriores del átomo, mientras que los electrones de los niveles interiores se agrupan en el núcleo del átomo.
Excepciones en la configuración electrónica
En algunas ocasiones, la configuración electrónica de ciertos elementos puede presentar excepciones en los subniveles energéticos. Estas excepciones ocurren en los elementos del grupo 6 y del grupo 11, así como en los elementos de la zona F de la tabla periódica.
- En los elementos del grupo 6, el subnivel d se encuentra semilleno, en lugar de estar completamente lleno como se esperaría. Esto se debe a que la semillenitud del subnivel d proporciona una mayor estabilidad energética al átomo.
- En los elementos del grupo 11, el subnivel d está completamente lleno en lugar de estar semilleno como se esperaría. Esto es debido a una mayor estabilidad energética proporcionada por la llenitud del subnivel d.
- En la zona F de la tabla periódica, los electrones pueden ocupar diferentes subniveles energéticos de manera diferente a lo que se esperaría por la regla de Aufbau. Esto ocurre por la influencia de los electrones f en la estructura electrónica de estos elementos. Algunos ejemplos de elementos de la zona F con configuraciones electrónicas excepcionales son el cerio (Ce), el gadolinio (Gd) y el praseodimio (Pr).
Cómo sacar los números cuánticos
Una vez obtenida la configuración electrónica del átomo, es posible determinar los números cuánticos de cada electrón en función del nivel de energía y el subnivel energético en el que se encuentra.
- El número cuántico principal (n) se determina a partir del nivel de energía en el que se encuentra el electrón. El nivel de energía se indica por el número de la fila en la tabla periódica.
- El número cuántico secundario o azimutal (l) se determina a partir del subnivel energético en el que se encuentra el electrón. Los subniveles energéticos se indican por las letras s, p, d y f, que corresponden a los valores de l igual a 0, 1, 2 y 3 respectivamente.
- El número cuántico magnético (m) se determina a partir de la orientación del momento angular del electrón en el espacio. El valor de m puede ser cualquier entero entre -l y +l.
- Finalmente, el número cuántico de espín (s) se determina a partir de la dirección del espín del electrón. Cada electrón puede tener un espín hacia arriba (+1/2) o hacia abajo (-1/2).
Ejercicios y ejemplos
- Determinar la configuración electrónica y los números cuánticos de los electrones en el átomo de calcio (Ca).
La configuración electrónica del calcio es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2.
Los números cuánticos para los electrones en el nivel 1 son: n=1, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Para los electrones en el nivel 2, n=2, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Para los electrones en el nivel 3, n=3, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Y finalmente, para los electrones en el nivel 4, n=4, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
- Determinar la configuración electrónica y los números cuánticos de los electrones en el átomo de nitrógeno (N).
La configuración electrónica del nitrógeno es 1s2 2s2 2p3.
Los números cuánticos para los electrones en el nivel 1 son: n=1, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Para los electrones en el nivel 2, n=2, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Y para los electrones en el nivel 3, n=3, l=1, m=-1, s=+1/2 y n=3, l=1, m=0, s=-1/2.
- Determinar la configuración electrónica y los números cuánticos de los electrones en el átomo de hierro (Fe).
La configuración electrónica del hierro es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6.
Los números cuánticos para los electrones en el nivel 1 son: n=1, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Para los electrones en el nivel 2, n=2, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Para los electrones en el nivel 3, n=3, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Para los electrones en el nivel 4, n=4, l=0, m=0, s=+1/2 y s=-1/2.
Para los electrones en el nivel 3d, n=3, l=2, m=-2, s=+1/2; n=3, l=2, m=-1, s=+1/2; n=3, l=2, m=0, s=+1/2; n=3, l=2, m=1, s=+1/2; n=3, l=2, m=2, s=+1/2 y n=3, l=2, m=-2, s=-1/2; n=3, l=2, m=-1, s=-1/2; n=3, l=2, m=0, s=-1/2; n=3, l=2, m=1, s=-1/2; n=3, l=2, m=2, s=-1/2.
En resumen, los números cuánticos de los electrones en el átomo de hierro son: n=1, 2, 3 y 4; l=0 y 2; m=-2, -1, 0, 1 y 2; s=+1/2 y -1/2.
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Los números cuánticos son una herramienta útil para describir la estructura electrónica de los átomos. Conocer la configuración electrónica de un átomo permite determinar los números cuánticos de cada electrón en función del nivel de energía y el subnivel energético en el que se encuentra
