El principio de Aufbau es un método para explicar la disposición de los electrones dentro de los átomos de diferentes elementos químicos. La teoría atómica puede ser compleja y difícil, pero este principio proporciona un conjunto simple de reglas que pueden explicar las configuraciones electrónicas de la gran mayoría de elementos. El término proviene de una palabra alemana que significa «construcción» y se refiere a la forma en que se agregan electrones a los átomos que van de elementos más livianos a más pesados. El principio no es perfecto y hay algunas excepciones, pero es una herramienta muy útil para aprender sobre la estructura atómica.
Conchas, subcapas y orbitales
Para comprender el principio de Aufbau, es necesario observar primero la estructura del átomo. Se puede decir que los electrones orbitan el núcleo cargado positivamente; sin embargo, existen ciertas reglas que dictan cómo se pueden organizar. En el modelo generalmente aceptado, ocupan capas, que pueden considerarse concéntricas, alrededor del núcleo. Dentro de estas hay subcapas, dentro de las cuales hay orbitales. Un orbital describe el espacio habitado por un electrón.
Las conchas se numeran 1, 2, 3, etc., en orden de distancia creciente desde el núcleo – y niveles de energía crecientes – y los números también indican cuántas subcapas pueden tener. Las subcapas están etiquetadas como s, p, d y f, en el orden general de la energía que poseen los electrones en los orbitales que contienen. Cada uno tiene un número máximo de orbitales que puede contener: s tiene solo uno, p tiene tres, d tiene cinco yf tiene siete, y cada orbital puede contener un máximo de dos electrones. Todos los orbitales dentro de una subcapa tienen el mismo nivel de energía.
Esto se resume en la siguiente tabla:
Conchas, subcapas y orbitales
Shell subshell Orbitales Máximo de electrones
1s 12
2 s1 2
– p3 6
3 s1 2
– p3 6
– d5 10
4 s1 2
– p3 6
– d5 10
– f7 14
Esto muestra, por ejemplo, que el shell 3 tiene un subshell s, ap y ad. Cuando esté completamente lleno, tendría un total de 2 + 6 + 10 = 18 electrones. La configuración electrónica de un elemento se puede escribir, por ejemplo, como:
1s22s22p1
que es el elemento número cinco, boro. Esto muestra el número de capa seguido de la letra de la subcapa, con el número de electrones que contiene en superíndice.
Construyendo los elementos
Es posible imaginar la construcción de elementos progresivamente más pesados agregando electrones, comenzando con el elemento más liviano, el hidrógeno (1s1). A medida que se agregan electrones, llenan los orbitales dentro de las subcapas dentro de las capas. Es una regla general que cualquier sistema adoptará la configuración que tenga la energía más baja. Si bien esta es una regla muy simple, determinar la disposición de energía más baja y explicar las configuraciones puede implicar muchas complicaciones debido a las interacciones entre las partículas. Los electrones, naturalmente, tenderán a llenar los orbitales de energía más baja antes que los de energía más alta, y el principio de Aufbau busca explicar cómo sucede esto.
Las Reglas
El principio de Aufbau tiene solo tres reglas:
Los electrones llenarán los orbitales en orden creciente de energía, es decir, llenarán primero los orbitales de menor energía. Dado que todos los orbitales en una subcapa dada tienen el mismo nivel de energía, todos deben llenarse antes de que la siguiente subcapa comience a llenarse.
Cada orbital puede contener un máximo de dos electrones, y estos deben tener espines opuestos.
Donde hay dos o más orbitales disponibles con el mismo nivel de energía, ninguno de ellos se llenará hasta que todos tengan un electrón. En otras palabras, los electrones intentarán distribuirse uniformemente a través de los orbitales disponibles de la misma energía siempre que sea posible.
En el caso del elemento más simple, el hidrógeno, su único electrón se encuentra en un orbital en la subcapa s. El siguiente elemento, el helio, tiene un segundo electrón que entra en el mismo orbital: 1s2. El orbital, la subcapa s y la capa 1 están ahora llenas. El litio, con tres electrones, tiene la misma configuración que el helio, pero con un electrón extra en la subcapa s de la capa 2, ya que es el orbital de menor energía disponible: 1s22s1.
Saltando un par de elementos, el carbono, con seis electrones, tiene una configuración 1s22s22p2: ambas subcapas están llenas, por lo que los dos electrones restantes van a la subcapa p. Entrarán en diferentes orbitales, de acuerdo con la tercera regla del principio de Aufbau.
Excepciones
A medida que los elementos se vuelven más pesados, sus arreglos de orbitales se vuelven más complejos y, a veces, las interacciones entre electrones pueden producir excepciones al principio de Aufbau. Las reglas son válidas hasta el elemento número 24, el cromo. Este es uno de los pocos elementos que no se ajustan del todo. Deja su subcapa 4s sin llenar, mientras que hay cinco electrones en la siguiente subcapa, porque, en este caso inusual, es una configuración de energía ligeramente más baja que la predicha por las reglas. Otras excepciones son el cobre y la plata.
Utiliza materiales de
A pesar de las excepciones, el principio de Aufbau es útil en los cursos de química donde los estudiantes descubren las reglas fundamentales sobre la estructura atómica y las propiedades de los elementos. Se puede usar un gráfico o diagrama para mostrar cómo funciona el principio para varios elementos de ejemplo. Esto generalmente mostrará las capas, subcapas y orbitales de una manera que ilustra claramente cómo se llenan.