Estructura atómica y tabla periódica: modelos, números cuánticos, configuración y periodicidad
En la PAU de Castilla y León, este bloque pregunta por la evolución de los modelos atómicos (Thomson, Rutherford, Bohr y el modelo cuántico), por el significado y las restricciones de los números cuánticos, por la configuración electrónica y por la deducción de propiedades periódicas a partir de la posición en la tabla. Los enunciados suelen exigir justificación razonada, no solo el resultado o la etiqueta.
Números cuánticos y orbitales
- n = 1, 2, 3… define el nivel y el tamaño del orbital; l = 0, 1, …, n−1 define el subnivel (s, p, d, f); m_l toma valores −l … +l; m_s = ±1/2.
- Un subnivel l contiene 2l+1 orbitales y admite 2(2l+1) electrones: s→2, p→6, d→10, f→14.
- Combinaciones prohibidas: l ≥ n, m_l fuera de rango, o dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales (principio de exclusión de Pauli).
Configuración electrónica
Se aplica el orden de energía creciente (diagrama de Moeller), Pauli y la regla de Hund (máximo desapareamiento con espines paralelos). Excepciones que la PAU pregunta expresamente: Cr = [Ar]3d⁵4s¹ y Cu = [Ar]3d¹⁰4s¹, por la estabilidad de subniveles semillenos y llenos. Al formar cationes se pierden primero los electrones 4s, aunque se escriban al final de la configuración; así, Fe ([Ar]3d⁶4s²) da Fe²⁺ = [Ar]3d⁶ y Fe³⁺ = [Ar]3d⁵. En los aniones se añaden electrones al orbital vacante de menor energía.
Propiedades periódicas
El radio atómico disminuye al avanzar en un periodo (mayor carga nuclear efectiva) y aumenta al bajar en un grupo (nuevo nivel). La energía de ionización y la electronegatividad siguen la tendencia inversa. La afinidad electrónica es la energía intercambiada al captar un electrón y no debe confundirse con la electronegatividad de Pauling, que mide la tendencia a atraer electrones compartidos dentro de un enlace.
Ejemplo resuelto
Ordene razonadamente por energía de ionización creciente: Na, Mg, Al, Si. La tendencia general crece a lo largo del periodo, pero el electrón que se arranca al Al es un 3p, apantallado por los 3s y de mayor energía que el 3s del Mg. Por eso la primera energía de ionización del Al es menor que la del Mg. Orden correcto: Na < Al < Mg < Si.
Errores que cuestan puntos
- Escribir la configuración de los cationes conservando los electrones 4s.
- Olvidar las excepciones de Cr y Cu.
- Confundir el orden de llenado con el orden de escritura de los orbitales.
- Justificar tendencias periódicas solo con la carga nuclear, sin apantallamiento ni distancia al núcleo.