Cationes de transición: configuración 4s y 3d en PAU

Una configuración electrónica debe responder a dos preguntas diferentes: cuántos electrones tiene la especie y cómo se distribuyen. En los cationes de transición aparece además una trampa: el orden usado para construir el átomo neutro no funciona como una lista que pueda deshacerse sin pensar.

Trabajaremos con configuraciones fundamentales de átomos y cationes aislados en el modelo de bachillerato. No analizaremos complejos de coordinación, estados excitados ni detalles espectroscópicos. La notación [Ar] representa dieciocho electrones internos; no es una subcapa adicional con un número desconocido.

Antes de escribir exponentes, cuenta la carga

El número atómico Z cuenta protones. Un átomo neutro tiene Z electrones; un catión de carga +z tiene Z − z. Formar Fe³⁺ a partir de Fe no cambia el núcleo del hierro: se han retirado tres electrones.

Una comprobación útil consiste en sumar los exponentes de la configuración completa o añadir a los exponentes externos los dieciocho de [Ar]. El resultado debe coincidir con Z menos la carga positiva. Esta cuenta detecta errores, aunque por sí sola no asegura que hayas elegido las subcapas correctas.

En estos metales, los electrones 4s se retiran antes que los 3d al formar los cationes considerados. Las energías y ocupaciones del átomo de varios electrones no quedan descritas por una escalera universal e inmutable. Evita explicar la ionización como una simple marcha atrás por la regla diagonal.

Ejercicio 1: hierro neutro, Fe²⁺ y Fe³⁺

Datos: el hierro tiene Z = 26. Su configuración fundamental se escribe [Ar] 3d⁶ 4s². La cuenta es 18 + 6 + 2 = 26.

Para Fe²⁺ necesitamos veinticuatro electrones. Retiramos los dos de 4s y obtenemos [Ar] 3d⁶. No escribimos [Ar] 3d⁴ 4s²: aunque esa propuesta también sumaría veinticuatro, no es la configuración fundamental del catión descrito.

Para Fe³⁺ necesitamos veintitrés electrones. Después de retirar los dos de 4s, retiramos uno de 3d: queda [Ar] 3d⁵. La comprobación vuelve a ser independiente del procedimiento: 18 + 5 = 23 y 26 − 23 = 3.

Si representamos los cinco orbitales d del ion aislado mediante cinco casillas, la distribución d⁵ coloca un electrón en cada una antes de emparejar. Este dibujo aplica la regla de Hund a orbitales degenerados del modelo; no debe trasladarse sin más a cualquier compuesto de hierro.

Ejercicio 2: cobre y una excepción del átomo neutro

El cobre tiene Z = 29 y configuración fundamental [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. No debes empezar escribiendo automáticamente 3d⁹ 4s²: el átomo neutro es uno de los casos para los que la regla de llenado simplificada necesita una excepción.

Cu⁺ tiene veintiocho electrones. Retirar el electrón 4s deja [Ar] 3d¹⁰. Su subcapa d está completa en esta descripción. Cu²⁺ tiene veintisiete electrones: se retira además uno de 3d y queda [Ar] 3d⁹.

Comprobamos ambos: 18 + 10 = 28 y 18 + 9 = 27. La diferencia de un electrón entre Cu⁺ y Cu²⁺ no significa que el primero sea cobre y el segundo otro elemento. Ambos conservan veintinueve protones.

En el diagrama de casillas del ion aislado, d¹⁰ tiene todos los electrones emparejados y d⁹ deja uno desapareado. La respuesta debe mencionar el modelo empleado si la pregunta pasa de configuración a propiedades magnéticas.

Ejercicio 3: cromo y una identificación inversa

El cromo, Z = 24, presenta [Ar] 3d⁵ 4s¹ como configuración fundamental. Para Cr³⁺ retiramos primero el electrón 4s y después dos electrones d: [Ar] 3d³. La suma 18 + 3 = 21 coincide con 24 − 3.

Ahora invertimos la pregunta. Una especie X³⁺ tiene configuración [Ar] 3d⁵. ¿Cuál es Z? La especie tiene veintitrés electrones. Como su carga es +3, el núcleo tiene veintiséis protones: Z = 23 + 3 = 26. Por tanto, X es hierro.

No confundas esta identificación con afirmar que cualquier especie d⁵ es Fe³⁺. Si no conoces la carga o la capa interna, los mismos cinco electrones d no bastan para elegir un elemento.

Qué debe quedar en tu solución

Escribe primero Z, después el número de electrones del ion y finalmente la configuración. Si necesitas partir del átomo neutro, comprueba sus excepciones conocidas antes de retirar electrones.

Para autocorregirte, separa dos fallos: una suma que no coincide con la carga y una distribución incorrecta que sí suma bien. El ejemplo erróneo de Fe²⁺ muestra por qué ambas comprobaciones son necesarias. Una configuración es más que una cuenta total.

Referencia y material de apoyo

Puedes relacionar estos ejercicios con la explicación de referencia y consultar el recurso gratuito. El descargable es un apoyo para estudiar; no implica matrícula ni sustituye las instrucciones oficiales de tu convocatoria.

El fundamento conceptual se puede contrastar en la fuente académica consultada. Los supuestos, cifras y desarrollos son didácticos y originales; no se atribuyen a un examen oficial.

Preguntas frecuentes

¿Se retiran siempre los electrones en el orden inverso de la regla diagonal?

No. Para los cationes de transición de estos ejemplos se retiran los electrones 4s antes que los 3d; no basta con invertir mecánicamente una lista de llenado.

¿El ion Fe³⁺ tiene tres protones más que Fe?

No. Conserva el número atómico del hierro y tiene tres electrones menos que el átomo neutro.

¿El número de electrones desapareados calculado sirve para cualquier complejo?

No. Aquí usamos un modelo de ion aislado; la coordinación y la separación energética de los orbitales pueden cambiar la distribución en un complejo.

Cuenta electrones después de vaciar la subcapa correcta

Repite Fe²⁺, Fe³⁺, Cu⁺ y Cu²⁺ sin mirar y comprueba sus electrones. Después explica por qué una suma correcta no basta si has vaciado la subcapa equivocada. Para ampliar la preparación, consulta el curso disponible y revisa la comunidad, el contenido, el precio y sus condiciones antes de comprar. Si te examinas en otra comunidad, elige la tuya desde el catálogo PAU.