En el post de hoy vamos a retomar conocimientos de química del bachillerato. Puede que recordéis los orbitales atómicos y cómo se iban “colocando” los electrones en esos orbitales (principio de Aufbau). Pues esa manera que estudiamos de disponer a los electrones presentaba algunos errores. Hoy os presento una propuesta para subsanarlos.

¿Qué es el principio de Aufbau?

El principio de Aufbau se emplea para predecir la configuración electrónica de los átomos. Aporta una serie de instrucciones para “colocar” los electrones en los orbitales de un átomo. Este principio fue formulado de manera simultánea por varios científicos, pero tradicionalmente se le otorga su paternidad a Niels Bohr. Su nombre viene de Aufbauprinzip, principio de construcción en alemán. Se representa por el diagrama de Moeller o diagrama de Madelung.

Los electrones comienzan ocupando los orbitales de menor energía, y progresivamente se van llenando los orbitales de mayor energía, como vemos en la imagen.

¿Qué limitaciones tiene el principio de Aufbau?

Este principio no siempre describe de forma correcta las configuraciones electrónicas de todos los elementos. De hecho, tiene algunas limitaciones.

En primer lugar, el principio no logra predecir el orden correcto de las energías de las subcapas. En los metales de transición, la energía de la subcapa s es mayor que la de la subcapa d. Sin embargo, el principio de Aufbau las llena en el orden opuesto. De hecho, a partir del escandio, según el principio de Aufbau, su configuración electrónica debería ser [Ar] 4s² 3d¹, cuando en realidad es [Ar] 3d¹ 4s². Los primeros electrones en ser ionizados provienen de la subcapa s.

Además el principio de Aufbau tiene 20 configuraciones electrónicas “anómalas”. Así, por ejemplo, en el caso del cromo (Cr) se espera 3d⁴ 4s², pero la configuración real es 3d⁵ 4s¹. En el cobre (Cu) se espera 3d⁹ 4s², pero la configuración real es 3d¹⁰ 4s¹.

Estas limitaciones han suscitado dudas sobre el principio de Aufbau como regla predictiva y se hace necesaria una regla predictiva más precisa para el llenado electrónico. Se han hecho algunas propuestas, pero no han sido del todo aceptadas, debido a que no resuelven plenamente los problemas que presenta el principio de Aufbau.

¿Cuál es la nueva propuesta?

Este trabajo propone el principio de “Construcción” como una versión mejorada del principio de Aufbau, con dos reglas especiales de llenado, para ordenar mejor la asignación de electrones en subcapas. En otras palabras, intenta conservar la intuición del principio de Aufbau, pero ajustándolo para reducir excepciones y ambigüedades.

Vamos a intentar explicarlo de manera más o menos sencilla. Lo primero es saber que se llama electrón diferenciador al electrón adicional que distingue a un elemento del elemento precedente en la tabla periódica (que también puede representarse en espiral). Sin embargo, aunque intuitivamente podemos pensar que este “nuevo” electrón va a ser el más externo, el que se coloca en la subcapa más alejada, en realidad no siempre es así ni es el primero en ionizarse. Esta distinción es especialmente importante en los bloques d y f.

1. Se comienza con 1s. En la segunda fila o período aparece una nueva subcapa p. En general, una nueva subcapa surge cada dos filas o períodos. La subcapa p se sitúa después de la subcapa s correspondiente.

2. En el período 4 aparece una nueva subcapa (n−1)d. Como pertenece a n−1, se sitúa antes de la subcapa s. No obstante, el llenado de los electrones diferenciadores siempre comienza con la subcapa s del período correspondiente, en este caso 4s, y las subcapas restantes se llenan de izquierda a derecha. Este patrón se repite en el período 5. Es decir, en la fila 4, aparece 3d. Como 3d pertenece al nivel 3, se coloca antes de 4s. Pero como se empieza siempre con s, el electrón diferenciador se colocaría en 4s antes de en 3d.

3. En el período 6 aparece la nueva subcapa (n−2)f. Como pertenece a n−2, se sitúa antes de la subcapa (n−1)d. Como antes, el llenado de los electrones diferenciadores siempre comienza con la subcapa s (6s), y las subcapas restantes se llenan de izquierda a derecha. La misma construcción se aplica al período 7.

4. En el período 8 se introduciría una nueva subcapa (n−3)g. Como pertenece a n−3, debe situarse antes de la subcapa (n−2)f. De nuevo, el llenado de los electrones diferenciadores comienza con la subcapa s (8s), y las subcapas restantes se llenan de izquierda a derecha.

El orden de energía de las subcapas para el llenado electrónico se obtiene leyendo la construcción completa de izquierda a derecha. Por ejemplo, en el lutecio:

Los electrones diferenciadores llenan primero 6s², seguidos de 4f¹⁴ y 5d¹. Sin embargo, la configuración electrónica correcta se obtiene leyendo la construcción de izquierda a derecha, dando 4f¹⁴ 5d¹ 6s². Así, el principio de “Construcción” predice correctamente tanto la secuencia de los electrones diferenciadores como el orden energético de las subcapas dentro de un único marco coherente.

Hasta aquí hemos explicado el orden general de construcción, pero todavía queda un detalle importante. Los electrones no siempre ocupan el orbital de menos energía. Pueden “promocionarse” a otra subcapa de energía muy parecida si con ello el átomo baja su energía total. Este comportamiento explica la mayor parte de las configuraciones que tradicionalmente se consideran «anómalas» en los bloques d y f. En otras palabras, la configuración real no sigue sólo el orden de llenado, sino el estado de mínima energía del sistema completo. Para ello es necesario aplicar dos reglas especiales de llenado:

Regla 1: Ocupación de subcapas más grandes por repulsión entre electrones al inicio de los bloques d y f

Al comienzo de los bloques d y f, las subcapas vecinas tienen energías muy similares, por lo que en algunos casos resulta más favorable que los electrones ocupen una subcapa más extensa, disminuyendo así la repulsión entre ellos. Así se explican las siguientes configuraciones:

• Bloque d: las configuraciones dⁿ⁺¹s¹ que aparecen tras 3d⁸, 5d⁸ y 4d³ (además del caso particular del Pd con d¹⁰ s⁰) y la ocupación inicial de 7p en el Lr.

• Bloque f: las configuraciones fⁿ⁻¹d¹ antes de 4f² y 5f⁵, incluyendo el caso especial del Th (f⁰ d²). Esta misma regla explica por qué La y Ac incorporan antes un electrón a una subcapa d que a una f, por tanto, constituyendo el inicio «anómalo» del bloque f.

• Bloque g: los modelos teóricos predicen que este bloque tampoco empezaría llenando la subcapa g. Del mismo modo que La y Ac inauguran el bloque f sin incorporar inicialmente electrones a una subcapa f, en el bloque g primero se ocuparían las subcapas p y f, cuyos orbitales son más extensos. Sólo entonces comenzaría el llenado de la subcapa g.

Regla 2: Estabilización de subcapas semillenas

Las subcapas semillenas (y llenas) son especialmente estables porque maximiza un efecto cuántico conocido como energía de intercambio, por lo que el átomo reorganiza la configuración electrónica obtenida anteriormente para alcanzarlas siempre que sea posible. Así se favorecen las siguientes configuraciones electrónicas:

• Bloque d: las configuraciones d⁵s¹ o d⁵s², antes de la estabilización relativista de la subcapa s a partir del periodo 6.
• Bloque f: la configuración f⁷d¹, que resulta siempre más estable que f⁸, como en gadolinio y curio.

En el principio de “Construcción” siguen siendo esenciales el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund, aunque se amplían con las dos reglas anteriores para describir con mayor precisión el llenado electrónico:

• El principio de exclusión de Pauli afirma que no puede haber dos electrones en un átomo con los cuatro números cuánticos iguales, es decir, un orbital solo puede tener dos electrones como máximo con espines opuestos. A este principio se añade la Regla 1, la repulsión entre electrones puede hacer más estable la ocupación de subcapas de mayor extensión al comienzo de los bloques d y f.
• La regla de Hund afirma que, en orbitales de la misma energía, los electrones se distribuyen primero de uno en uno con espines paralelos, antes de empezar a emparejarse. La Regla 2 amplía este principio al considerar que la estabilización asociada a la energía de intercambio de una subcapa semillena es a veces lo suficientemente fuerte como para reordenar electrones entre subcapas distintas.

De esta manera se obtiene un principio “constructivo” más preciso, con sólo 2 configuraciones “anómalas”, el paladio y el torio, proporcionando un marco más coherente para predecir y enseñar las configuraciones electrónicas que el principio tradicional de Aufbau.

Si eres profesor, puedes encontrar una versión dirigida al profesorado en el número 45 de la revista Faraday del GEDH (Grupo Especializado de Didáctica e Historia) de la RSEQ (Real Sociedad Española de Química).

Bibliografía

1. Rodríguez Peña, Mario (2026). The Construcción principle: the improved Aufbau principle with 2 special filling rules. Foundations of Chemistry, https://doi.org/10.1007/s10698-026-09567-3
2. La espiral periódica: una reforma de la tabla periódica. DCiencia (Mario Rodríguez Peña): https://www.dciencia.es/la-espiral-periodica-una-reforma-de-la-tabla-periodica/