QuímicaMedioCuestión · 2 pts

Sistema periódico y propiedades periódicas

También trata: Fuerzas intermoleculares y propiedades · Estructura atómica y números cuánticos

Comunidad de Madrid · 2017 · Junio · Opción A

Enunciado

Responda justificadamente las siguientes preguntas:

a) (0,5 puntos) Para el elemento con

Z = 7

indique cuántos electrones tiene con número cuántico

m = 0

y detalle en qué orbitales.

b) (1 punto) Para cada uno de los elementos X (

Z = 17

), Y (

Z = 19

) y Z (

Z = 35

) indique cuál es su ion más estable y explique cuál de esos iones tiene menor radio.

c) (0,5 puntos) Identifique el compuesto binario formado por el hidrógeno y el elemento

Z = 7

. Razone si es polar y nombre todas las posibles interacciones intermoleculares que puede presentar.

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Resultado

a) 5 electrones con $m = 0$ : dos en $1s$ , dos en $2s$ y uno en un orbital $2p$ .
b) $\text{Cl}^-$ , $\text{K}^+$ y $\text{Br}^-$ ; el menor es el $\text{K}^+$ : $r(\text{K}^+) < r(\text{Cl}^-) < r(\text{Br}^-)$ .
c) $\text{NH}_3$ , polar (piramidal): enlace de hidrógeno, dipolo-dipolo y dispersión de London.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Todo empieza por la configuración electrónica de cada elemento:

a) El número cuántico magnético $m$ distingue los orbitales de un subnivel. En los orbitales $s$ solo hay $m = 0$ ; de los tres orbitales $p$ ( $m = -1, 0, +1$ ), solo uno tiene $m = 0$ . Con la regla de Hund se sabe cuántos electrones caen en él.
b) El ion más estable es el que alcanza la configuración del gas noble más cercano. Para comparar radios: más capas, más radio; y entre iones con los mismos electrones (isoelectrónicos), el que tiene más protones es el más pequeño.
c) El hidruro del nitrógeno es el amoniaco: geometría piramidal, momentos dipolares que no se anulan y, además, enlaces N–H capaces de formar enlaces de hidrógeno.

Desarrollo

a) Electrones con $m = 0$ en el nitrógeno ( $Z = 7$ )

\text{N}\ (Z=7):\quad 1s^2\,2s^2\,2p^3

Orbital $1s$ ( $l = 0$ , $m = 0$ ): 2 electrones.
Orbital $2s$ ( $l = 0$ , $m = 0$ ): 2 electrones.
Subnivel $2p$ ( $l = 1$ , $m = -1, 0, +1$ ): por la regla de Hund, los tres electrones se reparten uno en cada orbital $p$ con espines paralelos. Por tanto hay 1 electrón en el orbital $2p$ con $m = 0$ (el que suele llamarse $2p_z$ ).

\boxed{2 + 2 + 1 = 5 \text{ electrones con } m = 0:\ \text{en } 1s,\ 2s \text{ y uno de los } 2p}

b) Ion más estable y menor radio

Elemento	$Z$	Configuración	Ion más estable	Configuración del ion
X (cloro)	17	$[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5$	$\text{X}^-$ ( $\text{Cl}^-$ )	$[\text{Ar}]$
Y (potasio)	19	$[\text{Ar}]\,4s^1$	$\text{Y}^+$ ( $\text{K}^+$ )	$[\text{Ar}]$
Z (bromo)	35	$[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^5$	$\text{Z}^-$ ( $\text{Br}^-$ )	$[\text{Kr}]$

El cloro y el bromo (halógenos, grupo 17) tienen siete electrones de valencia: ganan un electrón y completan el octeto. El potasio (alcalino, grupo 1) pierde su único electrón

4s

y queda con la configuración del argón.

Comparación de radios:

El $\text{Br}^-$ tiene sus electrones en cuatro capas ( $n = 4$ ), mientras que el $\text{Cl}^-$ y el $\text{K}^+$ solo llegan a la tercera: el $\text{Br}^-$ es el mayor.
El $\text{Cl}^-$ y el $\text{K}^+$ son isoelectrónicos (18 electrones cada uno, configuración $[\text{Ar}]$ ). El $\text{K}^+$ tiene 19 protones frente a los 17 del $\text{Cl}^-$ : su núcleo atrae con más fuerza a la misma nube electrónica y la contrae más.

r(\text{K}^+) < r(\text{Cl}^-) < r(\text{Br}^-)

El ion de menor radio es el $\text{Y}^+$ , el $\text{K}^+$ (valores tabulados aproximados:

138

181

196\ \text{pm}

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

c) El hidruro del nitrógeno: amoniaco

El nitrógeno tiene tres electrones desapareados (

2p^3

) y forma tres enlaces covalentes con tres hidrógenos: el compuesto es el amoniaco (trihidruro de nitrógeno), $\text{NH}_3$ .

Geometría: el N está rodeado de cuatro pares de electrones (tres enlazantes y uno solitario), que se disponen en tetraedro; como uno es solitario, la molécula es una pirámide trigonal (ángulo $\approx 107^\circ$ ).
Polaridad: el enlace N–H es polar (el N es más electronegativo que el H). En una pirámide los tres momentos dipolares no se anulan, y el par solitario refuerza el momento resultante: el $\text{NH}_3$ es una molécula polar.

Interacciones intermoleculares posibles:

Enlace de hidrógeno: el H unido al N (átomo pequeño y muy electronegativo, con un par solitario) es atraído por el par solitario del N de otra molécula. Es la más intensa y explica que el $\text{NH}_3$ hierva a $-33\ ^\circ\text{C}$ , muy por encima del $\text{PH}_3$ .
Fuerzas dipolo-dipolo (de Keesom), por ser una molécula polar.
Fuerzas de dispersión de London (dipolo instantáneo-dipolo inducido), presentes en todas las moléculas.

(Frente a moléculas apolares puede dar también interacciones dipolo-dipolo inducido, de Debye.)

Consejo

En a) el error típico es contar los tres electrones $2p$ como si tuvieran $m = 0$ : cada orbital $p$ tiene su propio $m$ , y por la regla de Hund solo uno de los tres electrones está en el de $m = 0$ . Los orbitales $s$ siempre tienen $m = 0$ .

En b), ante iones con los mismos electrones, compara protones: el catión es más pequeño que el anión isoelectrónico.

Paso 1 de 3

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