Configuración electrónica
Cuando varios electrones entran en un átomo no se sientan en cualquier sitio. Llenan las habitaciones por un conjunto fijo de reglas. Llenan primero la habitación de menor energía, una habitación admite como mucho dos electrones de espín opuesto, y las habitaciones de una capa se ocupan de una en una antes de cualquier emparejamiento. Añade el modo en que los electrones interiores apantallan a los exteriores, y la inversión en la que 4s se llena antes que 3d, y el orden de la tabla periódica se vuelve visible. Esta lección no trata la forma de un orbital. Trata de varios electrones que se reparten los asientos por regla. Las reglas reparten los asientos.
Mete electrones de uno en uno y cada uno cae en la habitación de menor energía que sigue vacía. Ese es el principio de aufbau. Una habitación admite como mucho dos electrones, y entonces los dos espines tienen que ser opuestos. Al añadir electrones las habitaciones se llenan en el orden 1s, 2s, 2p, 3s, y la cadena de configuración de abajo, 1s² 2s² 2p⁶, crece. La habitación baja se llena primero.
Cuando una capa tiene varias habitaciones, por ejemplo las tres habitaciones de una capa p, un electrón se sienta de uno por habitación antes de cualquier emparejamiento. Y los espines de estos electrones solos se alinean entre sí. Esa es la regla de Hund. Pon eso junto a un llenado equivocado, el emparejamiento apiñado en una habitación, y el lado repartido tiene el espín total mayor y es el verdadero estado fundamental de menor energía. Como los electrones se empujan, conviene sentarse en habitaciones distintas. El lado repartido es el más bajo.
La forma del espacio donde un electrón se queda de verdad es distinta en cada habitación. 1s es una bola redonda, 2p es una mancuerna de dos lóbulos, y 3d es una forma de cuatro hojas. La función de onda que se ve aquí y su cuadrado |ψ|² son la nube de probabilidad de hallar el electrón, y esta lección gira esa nube como un sólido en 3 dimensiones. Una lección aparte muestra lo mismo como un corte. Arrástrala y cambia la forma, y el signo y la forma sólida muestran cómo cambian. Esto no es un corte de 2 dimensiones. Es el sólido. La forma muestra la habitación.
Un electrón exterior no siente toda la carga positiva del núcleo. Los electrones interiores entre ellos apantallan el núcleo. Así que la carga nuclear efectiva que el electrón exterior siente de verdad es Zeff = Z − S, el número de protones con el apantallamiento restado. Añade electrones interiores y la carga efectiva baja, y el radio orbital del electrón exterior, debilitado su tirón, crece. Aproximadamente r ∝ n²/Zeff. Cuanto mayor el apantallamiento, más lejos se empuja al electrón exterior. El apantallamiento reduce el tirón.
El orden de las energías cambia con el número atómico. Sube el número y las barras de energía de 4s y de 3d bajan las dos, pero 3d baja más empinada, así que en algún punto las dos se cruzan. Así en el potasio, Z=19, y el calcio, Z=20, 4s queda por debajo de 3d y el llenado empieza en 4s, y desde el escandio, Z=21, 3d baja por debajo de 4s y 3d empieza a llenarse. Esta inversión fija dónde empiezan los metales de transición. Empuja el número y aparece el momento en que las dos barras cambian de sitio. El cruce abre los metales de transición.