Dados los siguientes elementos: A (Z = 11), B (Z = 17) y C (Z = 20). a) (0,5 puntos) Para cada uno de ellos, escriba su configuración electrónica e indique el nombre y el símbolo del elemento que está situado en el mismo grupo y en el periodo anterior. b) (0,5 puntos) Justifique qué ion, \text{B}^- o \text{C}^{2+}, tiene menor radio. c) (0,5 puntos) Indique razonadamente cuántos electrones con m = 0 (número cuántico magnético) tiene el elemento A. d) (0,5 puntos) ¿Cuál de los elementos dados necesita más energía para convertirse en un ion monopositivo? Razone su respuesta.

- a) Na: [\text{Ne}]3s^1 → litio, Li. Cl: [\text{Ne}]3s^2 3p^5 → flúor, F. Ca: [\text{Ar}]4s^2 → magnesio, Mg. - b) Menor radio: \text{C}^{2+} (\text{Ca}^{2+}), isoelectrónico con más protones. - c) 7 electrones con m = 0. - d) El cloro (B): mayor primera energía de ionización.

QuímicaMedioCuestión · 2 pts

Sistema periódico y propiedades periódicas

También trata: Estructura atómica y números cuánticos

Comunidad de Madrid · 2017 · Septiembre · Opción B

Enunciado

Dados los siguientes elementos: A (

Z = 11

), B (

Z = 17

) y C (

Z = 20

).

a) (0,5 puntos) Para cada uno de ellos, escriba su configuración electrónica e indique el nombre y el símbolo del elemento que está situado en el mismo grupo y en el periodo anterior.

b) (0,5 puntos) Justifique qué ion,

\text{B}^-

\text{C}^{2+}

, tiene menor radio.

c) (0,5 puntos) Indique razonadamente cuántos electrones con

m = 0

(número cuántico magnético) tiene el elemento A.

d) (0,5 puntos) ¿Cuál de los elementos dados necesita más energía para convertirse en un ion monopositivo? Razone su respuesta.

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Resultado

a) Na: $[\text{Ne}]3s^1$ → litio, Li. Cl: $[\text{Ne}]3s^2 3p^5$ → flúor, F. Ca: $[\text{Ar}]4s^2$ → magnesio, Mg.
b) Menor radio: $\text{C}^{2+}$ ( $\text{Ca}^{2+}$ ), isoelectrónico con más protones.
c) 7 electrones con $m = 0$ .
d) El cloro (B): mayor primera energía de ionización.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Todo parte de la configuración electrónica, que sitúa cada elemento en la tabla: A es el sodio, B el cloro y C el calcio.

b) Los dos iones tienen 18 electrones (son isoelectrónicos): a igual número de electrones, el de mayor carga nuclear los atrae más y es más pequeño.
c) Hay que repasar orbital a orbital: los orbitales $s$ solo tienen $m = 0$ , y de cada subnivel $p$ solo uno de sus tres orbitales tiene $m = 0$ .
d) Convertirse en ion monopositivo cuesta la primera energía de ionización.

Desarrollo

a) Configuraciones y elemento del periodo anterior

Se llenan los orbitales por orden de energía creciente (diagrama de Moeller):

Elemento	Configuración	Periodo y grupo	Mismo grupo, periodo anterior
A ( $Z = 11$ ): sodio, Na	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1 = [\text{Ne}]\,3s^1$	Periodo 3, grupo 1 (alcalinos)	Litio, Li ( $Z = 3$ )
B ( $Z = 17$ ): cloro, Cl	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5 = [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5$	Periodo 3, grupo 17 (halógenos)	Flúor, F ( $Z = 9$ )
C ( $Z = 20$ ): calcio, Ca	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2 = [\text{Ar}]\,4s^2$	Periodo 4, grupo 2 (alcalinotérreos)	Magnesio, Mg ( $Z = 12$ )

El periodo es el mayor valor de

n

de la configuración y el grupo sale de los electrones de valencia (

ns^1

: grupo 1;

ns^2

: grupo 2;

ns^2\,np^5

: grupo 17).

b) Radio de $\text{B}^-$ ( $\text{Cl}^-$ ) y $\text{C}^{2+}$ ( $\text{Ca}^{2+}$ )

\text{Cl}^-:\ 17 + 1 = 18\ e^- \qquad \text{Ca}^{2+}:\ 20 - 2 = 18\ e^-

Los dos tienen la configuración

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6

, la del argón: son isoelectrónicos. Con los mismos electrones en las mismas capas, el tamaño depende de la carga del núcleo: el

\text{Ca}^{2+}

tiene 20 protones y el

\text{Cl}^-

solo 17. El núcleo del calcio atrae con más fuerza a los 18 electrones y la nube electrónica se contrae.

El $\text{C}^{2+}$ ( $\text{Ca}^{2+}$ ) tiene menor radio (unos

100\ \text{pm}

frente a

181\ \text{pm}

del

\text{Cl}^-

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

c) Electrones con $m = 0$ en el sodio

El número cuántico magnético toma los valores

m = -l, \dots, 0, \dots, +l

, uno por orbital del subnivel. Cada orbital admite dos electrones (con

s = \pm\tfrac{1}{2}

Orbitales $s$ ( $l = 0$ ): solo $m = 0$ . En el sodio hay $1s^2$ , $2s^2$ y $3s^1$ : $2 + 2 + 1 = 5$ electrones con $m = 0$ .
Subnivel $2p$ ( $l = 1$ ): tres orbitales, con $m = -1, 0, +1$ . Sus 6 electrones se reparten dos en cada uno, así que 2 tienen $m = 0$ .

\text{Electrones con } m = 0:\quad \underbrace{2}_{1s} + \underbrace{2}_{2s} + \underbrace{2}_{2p} + \underbrace{1}_{3s} = 7

El sodio tiene 7 electrones con $m = 0$ .

d) Energía para formar el ion monopositivo

La energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo gaseoso y convertirlo en ion monopositivo es la primera energía de ionización:

\text{X}(g) \rightarrow \text{X}^+(g) + e^-

Na ( $[\text{Ne}]\,3s^1$ ): pierde con facilidad su único electrón de valencia y queda con configuración de gas noble. Energía de ionización muy baja.
Ca ( $[\text{Ar}]\,4s^2$ ): el electrón sale de la capa $n = 4$ , lejos del núcleo. Energía de ionización baja.
Cl ( $[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5$ ): está a la derecha del periodo 3, con la carga nuclear efectiva más alta y un radio pequeño; sus electrones están muy atraídos y además tiende a ganar un electrón, no a perderlo.

Dentro de un periodo, la energía de ionización crece hacia la derecha (Na < Cl), y en un grupo disminuye hacia abajo. El elemento B (cloro) es el que necesita más energía para convertirse en ion monopositivo (valores aproximados: Na

496

, Ca

590

, Cl

1251\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

Consejo

En las especies isoelectrónicas el razonamiento es siempre el mismo: mismos electrones, más protones, menor radio. No digas que el $\text{Ca}^{2+}$ es menor «porque ha perdido electrones»: el $\text{Cl}^-$ tiene exactamente los mismos.

En c) no cuentes solo los orbitales $s$ : de cada subnivel $p$ lleno, dos electrones tienen $m = 0$ .

Paso 1 de 3

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