Química, 2º Bachillerato. Problemas resueltos

Configuraciones electrónicas. Sistema periódico. Propiedades periódicas.

 

 

Problema 1. (Configuraciones electrónicas. Sistema periódico. Propiedades periódicas)

a) Escriba la configuración electrónica de los elementos A, B, C y D cuyos números atómicos son, respectivamente, 11, 13, 17 y 20.

b) ¿En qué grupo y periodo está situado cada elemento?

c) Escriba la configuración electrónica del ion más estable de cada uno de ellos.

d) Ordene dichos iones por orden creciente de sus radios.

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a) El número atómico representa el número de protones del átomo que coincide, si el átomo es neutro, con el número de electrones. La configuración electrónica es la distribución de los electrones del átomo en sus niveles energéticos y orbitales. Concretamente:

A (Z = 11)  →  1s2 2s22p6 3s1

B (Z = 13)  →  1s2 2s22p6 3s23p1

C (Z = 17)  →  1s2 2s22p6 3s23p5

D (Z = 20)  →  1s2 2s22p6 3s23p6 4s2

 

b) A partir de la configuración electrónica se puede saber el grupo y periodo del que forma parte el elemento. La última capa electrónica es aquella que contiene los electrones más allá de la última configuración electrónica de gas noble (ns2np6)

A (Z = 11)  →  1s2 2s22p6 3s1 → Estructura de la última capa: 3s1

El número cuántico principal n = 3, indica que el elemento pertenece al tercer periodo.

El orbital que se está llenando es el s, que contiene un electrón. El orbital s empieza a llenarse en el grupo 1 (alcalinos).

El elemento es el tercer alcalino, el sodio (siempre que consideremos el hidrógeno como el primer alcalino).

B (Z = 13)  →  1s2 2s22p6 3s23p1 → Estructura de la última capa: 3s23p1

El número cuántico principal n = 3, indica que el elemento pertenece al tercer periodo.

El orbital que se está llenando es el p, que contiene un electrón. El orbital p empieza a llenarse en el grupo 13 (térreos).

El elemento es el segundo térreo, el aluminio.

C (Z = 17)  →  1s2 2s22p6 3s23p5 → Estructura de la última capa: 3s23p5

El número cuántico principal n = 3, indica que el elemento pertenece al tercer periodo.

El orbital que se está llenando es el p, que contiene cinco electrones. El orbital p empieza a llenarse desde el grupo 13 en adelante, por lo que el quinto electrón corresponde al grupo 17 (halógenos).

El elemento es el segundo halógeno, el cloro.

D (Z = 20)  →  1s2 2s22p6 3s23p6 4s2 → Estructura de la última capa: 4s2

El número cuántico principal n = 4, indica que el elemento pertenece al cuarto periodo.

El orbital que se está llenando es el s, que contiene dos electrones, es decir, está completamente lleno. El orbital s se llena en el grupo 2 (alcalino-térreos).

El elemento es el tercer alcalino-térreo, el calcio.

 

c) Dependiendo de la configuración electrónica de un átomo, la formación de un ion se produce por pérdida o por ganancia de electrones del átomo correspondiente para conseguir así una configuración electrónica más estable. El caso más relevante es aquel en el que la nueva configuración electrónica coincide con la del gas noble más próximo en la tabla periódica, que conformará la configuración electrónica del ión más estable.

A (Z = 11)  →  1s2 2s22p6 3s1 → El sodio tiende a perder un electrón de su última capa y adquirir así la misma configuración electrónica que el neón. El ion más estable es el catión monovalente A+ (Na+) cuya configuración electrónica es 1s2 2s22p6.

B (Z = 13)  →  1s2 2s22p6 3s23p1 → El aluminio tiende a perder 3 electrones de su última capa y adquirir así la misma configuración electrónica que el neón. El ion más estable es el catión trivalente B3+ (Al3+).

C (Z = 17)  →  1s2 2s22p6 3s23p5 → El cloro tiende a ganar un electrón para adquirir así la misma configuración electrónica que el argón. El ion más estable es el anión monovalente C- (Cl-).

D (Z = 20)  →  1s2 2s22p6 3s23p6 4s2 → El calcio tiende a perder 2 electrones de su última capa y adquirir así la misma configuración electrónica que el argón. El ion más estable es el catión divalente D2+ (Ca2+).

 

d) Hay dos iones (Na+ y Al3+) cuyos electrones llenan el segundo nivel energético (configuración del neón) y otros dos iones (Cl- y Ca2+) cuyos electrones están en el tercer nivel energético (configuración del argón). Por tanto, los dos primeros tienen un radio menor que los dos segundos, es decir:

 

radios de Na+ y Al3+ < radios de Cl- y Ca2+

 

Las parejas de iones son isoelectrónicas. El Cl- tiene un núcleo con 17 protones y una corteza con 14 electrones, mientras que el Ca2+ tiene un núcleo con 20 protones y una corteza con 14 electrones. Es claro que en el caso del Ca2+ los electrones de la corteza son atraídos con mayor fuerza pues es mayor la carga nuclear efectiva de su núcleo. Una mayor atracción implica un menor tamaño del ion, por tanto,

 

radios de Na+ y Al3+ < radio Ca2+ < radio Cl-

 

Siguiendo el mismo razonamiento, el Na+ tiene un núcleo con 11 protones y una corteza con 10 electrones, mientras que el Al3+ tiene un núcleo con 13 protones y una corteza con 10 electrones. El núcleo del Al3+ tiene una mayor carga nuclear efectiva, ejerce mayor atracción sobre sus electrones y, por tanto, tiene un menor tamaño que el Na+. En definitiva:

 

radio Al3+ < radio Na+ < radio Ca2+ < radio Cl-

 

 

 

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