Senyal a l'enunciat: "Escriu la configuració electrònica de…", "indica quants electrons desaparellats té…", "a quin bloc de la taula periòdica pertany…", "identifica l'element amb configuració $[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$".

Estructura de l'àtom i nombre quàntic principal

Cada electró d'un àtom ocupa un orbital, definit per la combinació dels seus nombres quàntics. Els orbitals s'agrupen en capes ($n = 1, 2, 3, \ldots$) i en subcapes ($s$, $p$, $d$, $f$).

El nombre màxim d'electrons en la capa $n$ és $2n^2$: capa 1 $\to 2$, capa 2 $\to 8$, capa 3 $\to 18$, capa 4 $\to 32$.

Principis fonamentals

Principi d'Aufbau (construcció progressiva)

Els electrons ocupen primer els orbitals d'energia més baixa, seguint l'ordre de la diagonal de Madelung:

$1s \to 2s \to 2p \to 3s \to 3p \to 4s \to 3d \to 4p \to 5s \to 4d \to 5p \to 6s \to 4f \to \ldots$

📊 Diagrama: Diagonal de Madelung amb nivells principals i subcapes s, p, d i f

Regla mnemotècnica: escriu les subcapes en columnes per $n$ i traça diagonals de dalt a baix i d'esquerra a dreta.

Principi d'exclusió de Pauli

Cada orbital admet com a màxim 2 electrons, que han de tenir espins oposats ($m_s = +\frac{1}{2}$ i $m_s = -\frac{1}{2}$). Això vol dir que dos electrons del mateix àtom no poden tenir els quatre nombres quàntics iguals.

Regla de Hund (màxima multiplicitat)

Dins d'una mateixa subcapa, els electrons ocupen primer orbitals diferents amb espins paral·lels (tots $\uparrow$) abans d'aparellar-se. Això minimitza la repulsió interelectrònica.

Per exemple, per al nitrogen ($Z = 7$): $1s^2\,2s^2\,2p^3$

$2p: \;\boxed{\uparrow}\;\boxed{\uparrow}\;\boxed{\uparrow}$

No pas: $\boxed{\uparrow\downarrow}\;\boxed{\uparrow}\;\boxed{\phantom{\uparrow}}$ (violaria Hund).

📊 Diagrama: Comparació entre l'ocupació correcta i incorrecta dels orbitals 2p segons la regla de Hund

Notació de la configuració electrònica

Notació completa (spdf)

S'escriuen totes les subcapes per ordre d'energia:

• Sodi ($Z = 11$): $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$
• Ferro ($Z = 26$): $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6$

Notació abreujada (amb gas noble)

Es representen els electrons interns amb el gas noble anterior entre claudàtors:

• Sodi: $[\text{Ne}]\,3s^1$
• Ferro: $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^6$ o, reordenat per capes: $[\text{Ar}]\,3d^6\,4s^2$

Important: A la PAU s'accepten les dues convencions. L'ordre d'ompliment (Aufbau) escriu $4s$ abans de $3d$; l'ordre per capes escriu $3d$ abans de $4s$. Sigues coherent dins del mateix exercici.

Excepcions importants: Cr i Cu

Hi ha dues excepcions que la PAU pregunta sovint, causades per l'estabilitat especial de les subcapes $d$ semiomplerta ($d^5$) i plena ($d^{10}$):

Per què? Quan els nivells $3d$ i $4s$ tenen energies molt pròximes, l'estabilitat addicional d'una subcapa $d$ semiomplerta o plena compensa la promoció d'un electró de $4s$ a $3d$.

Configuració electrònica d'ions

Per als cations (pèrdua d'electrons), es treuen primer els electrons de la capa de valència més externa (és a dir, els de $ns$, no els de $(n-1)d$).

• $\text{Fe}^{2+}$ ($Z = 26$, perd $2\,e^-$): $[\text{Ar}]\,3d^6$ (es treuen els 2 electrons de $4s$)
• $\text{Fe}^{3+}$: $[\text{Ar}]\,3d^5$

Per als anions (guany d'electrons), s'afegeixen a la subcapa parcialment plena:

• $\text{Cl}^-$ ($Z = 17$, guanya $1\,e^-$): $[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^6 = [\text{Ar}]$

Error típic: treure electrons de $3d$ per formar $\text{Fe}^{2+}$. NO: els electrons $4s$ s'afegeixen els últims segons Aufbau, però en els cations dels metalls de transició es treuen primer.

Exemple resolt pas a pas

Escriu la configuració electrònica de $\text{Cu}^{2+}$ i indica quants electrons desaparellats té.

1. Coure neutre ($Z = 29$): $[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$ (excepció).
2. $\text{Cu}^{2+}$: es treuen 2 electrons. Primer el de $4s^1$ → queda $3d^{10}$. Però cal treure'n 1 més → $3d^9$.
3. $\text{Cu}^{2+}$: $[\text{Ar}]\,3d^9$.
4. Subcapa $3d$ amb 9 electrons: $\boxed{\uparrow\downarrow}\;\boxed{\uparrow\downarrow}\;\boxed{\uparrow\downarrow}\;\boxed{\uparrow\downarrow}\;\boxed{\uparrow}$ → 1 electró desaparellat.