¿Qué es la regla de las diagonales? - Conoce su aplicación en el estudio de los elementos químicos

La regla de las diagonales es un método que nos ayuda a determinar la configuración electrónica de los átomos y los iones. Es decir, la forma en que los electrones se distribuyen en los distintos orbitales atómicos. La configuración electrónica nos permite conocer las propiedades químicas y físicas de los elementos, así como su comportamiento en las reacciones. Conoce la importancia de la regla de las diagonales y su aplicación en el estudio de los elementos químicos de la tabla periódica.

¿En qué consiste la regla de las diagonales?

Para aplicar la regla de las diagonales, debemos seguir el principio de Aufbau. Este establece que los electrones ocupan primero los orbitales de menor energía y luego los de mayor energía.

Por lo tanto, este método consiste en trazar una serie de líneas diagonales sobre un diagrama que representa los distintos niveles y subniveles de energía de los orbitales atómicos. Estas líneas nos indican el orden en el que se van llenando los orbitales con los electrones, siguiendo el principio de Aufbau.

El diagrama se construye colocando los números cuánticos principales (n) y azimutales (l) en forma de matriz, como se muestra a continuación:

n\l       0          1          2          3

1          1s

2          2s        2p

3          3s        3p        3d

4          4s        4p        4d        4f

5          5s        5p        5d        5f

6          6s        6p        6d

7          7s        7p

Cada celda representa un subnivel de energía, formado por uno o más orbitales del mismo tipo. Por ejemplo, el subnivel 1s tiene un solo orbital, el subnivel 2p tiene tres orbitales y el subnivel 3d tiene cinco orbitales. Cada orbital puede albergar como máximo dos electrones con espines opuestos.

Las líneas diagonales se trazan siguiendo el siguiente patrón:

La primera línea diagonal parte del subnivel 1s y termina en el subnivel 2p. La segunda línea diagonal parte del subnivel 2s y termina en el subnivel 3p. La tercera línea diagonal parte del subnivel 3s y termina en el subnivel 4p. Y así sucesivamente, hasta llegar al subnivel más alto.

El orden en el que se llenan los orbitales se obtiene siguiendo las líneas diagonales desde arriba hacia abajo y desde izquierda a derecha. Así, el orden sería el siguiente:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d,…

Para escribir la configuración electrónica de un átomo o un ión, debemos indicar el número de electrones que hay en cada subnivel. Para ello, usamos el símbolo del subnivel y un superíndice. Por ejemplo, la configuración electrónica del átomo de hidrógeno, que tiene un solo electrón, sería 1s1.

¿Cuál es su relevancia en la tabla periódica?

Mediante la regla de las diagonales podemos entender la estructura y la organización de la tabla periódica. Para ello, haremos primero un recordatorio.

La tabla periódica se divide en siete períodos (filas horizontales) y 18 grupos (columnas verticales). Cada período corresponde a un nivel de energía (n) y cada grupo corresponde a un tipo de orbital (s, p, d o f).

Así, los elementos del grupo 1 tienen su último electrón en un orbital s, los del grupo 13 al 18 tienen su último electrón en un orbital p. Asimismo, los del grupo 3 al 12 tienen su último electrón en un orbital d y los del bloque f tienen su último electrón en un orbital f.

Relación con la tabla periódica

La regla de las diagonales nos muestra que el orden en el que se llenan los orbitales no coincide exactamente con el orden de los períodos y los grupos.

Por ejemplo, el subnivel 4s se llena antes que el subnivel 3d, aunque pertenezcan al mismo período. Esto se debe a que el subnivel 4s tiene una energía ligeramente menor que el subnivel 3d, y por tanto los electrones lo ocupan primero.

Este método también nos ayuda a explicar las propiedades periódicas de los elementos. Es decir, aquellas que varían de forma regular según la posición de los elementos en la tabla.

Aplicaciones de la regla de las diagonales en química

En química, la regla de las diagonales tiene varias aplicaciones prácticas, tanto teóricas como experimentales. Algunas de estas aplicaciones son:

• Determinar la configuración electrónica de los átomos y los iones en su estado fundamental o más estable. Esto nos permite conocer su estructura interna y sus características.
• Predecir o explicar el comportamiento químico de los elementos y sus compuestos. Por ejemplo, podemos saber qué tipo de enlace químico forman, qué tipo de reacciones realizan o qué propiedades físicas presentan.
• Establecer relaciones entre las propiedades periódicas de los elementos y su posición en la tabla periódica. Es posible saber, por ejemplo, cómo varía el tamaño de los átomos o su tendencia a ganar o perder electrones, según su configuración electrónica.
• Identificar o clasificar los elementos químicos mediante técnicas espectroscópicas. Estas técnicas se basan en la emisión o absorción de radiación electromagnética por parte de los átomos cuando sus electrones cambian de nivel energético. Aquí, la regla de las diagonales nos ayuda a saber qué transiciones son posibles y qué longitudes de onda corresponden a cada una.

Consideraciones de la regla de las diagonales

Se trata de una herramienta muy útil para determinar la configuración electrónica de los átomos y los iones. Pero, hay que tener en cuenta algunas consideraciones al usarla:

• Solo se aplica a los átomos y los iones en su estado fundamental o más estable. Si estos se encuentran en un estado excitado o menos estable, sus electrones pueden ocupar orbitales con mayor energía que la normal.

• Puede fallar para algunos elementos que presentan excepciones o anomalías en su configuración electrónica. Estas excepciones se deben a que algunos átomos o iones prefieren tener una configuración más simétrica o más estable energéticamente, aunque no sigan estrictamente el principio de Aufbau. Por ejemplo, el átomo de cromo tiene una configuración electrónica 4s13d5, en lugar de 4s23d4, porque así tiene medio lleno el subnivel 3d.

• La regla no es válida para los elementos más allá del número atómico 104, que son los llamados elementos superpesados o transactínidos. Estos elementos tienen una vida muy corta y sus propiedades no se conocen con precisión. Además, sus electrones se mueven a velocidades cercanas a la de la luz, lo que hace que se deban tener en cuenta efectos relativistas que alteran su configuración electrónica.

Ejemplos de la regla de las diagonales en química

Para ilustrar cómo se aplica la regla de las diagonales en química, vamos a ver algunos ejemplos de configuraciones electrónicas de átomos y iones.

Átomo de carbono

Tiene un número atómico 6, lo que quiere decir que tiene 6 protones y 6 electrones. Siguiendo la regla de las diagonales, su configuración electrónica es:

1s22s22p2

Quiere decir que tiene:

• Dos electrones en el subnivel 1s
• Dos electrones en el subnivel 2s
• Dos electrones en el subnivel 2p.

El subnivel 2p tiene tres orbitales, pero solo dos están ocupados por un electrón cada uno, siguiendo el principio de Hund.

Ion calcio (Ca2+)

Tiene un número atómico 20, pero al perder dos electrones se queda con 18. Según este método, su configuración electrónica es:

1s22s22p63s23p6

Quiere decir que tiene:

• Dos electrones en el subnivel 1s
• Dos electrones en el subnivel 2s
• Seis electrones en el subnivel 2p
• Dos electrones en el subnivel 3s
• Seis electrones en el subnivel 3p.

El subnivel 4s, que tenía dos electrones en el átomo neutro, queda vacío al formarse el ion.

Átomo de hierro

Tiene un número atómico 26, lo que significa que tiene 26 protones y 26 electrones. De acuerdo a la regla de las diagonales, su configuración electrónica sería:

1s22s22p63s23p64s23d6

Quiere decir que tiene:

• Dos electrones en el subnivel 1s
• Dos electrones en el subnivel 2s
• Seis electrones en el subnivel 2p
• Dos electrones en el subnivel 3s
• Seis electrones en el subnivel 3p
• Dos electrones en el subnivel 4s
• Seis electrones en el subnivel 3d

El subnivel 3d tiene cinco orbitales: cuatro están ocupados por dos electrones cada uno y uno por un solo electrón, según el mismo principio.