QuímicaFácil2,5 pts

Estructura atómica y números cuánticos

Extremadura · 2018 · Junio · Opción A

Enunciado

a) (1 punto) Escribir las configuraciones electrónicas de las siguientes especies: 1)

\text{F}^-

; 2)

\text{K}^+

; 3)

\text{Ar}

; 4)

\text{Ca}^{2+}

y 5)

\text{Fe}

.

b) (1 punto) Razonar las especies que tienen electrones desapareados.

c) (0,5 puntos) Razonar cuales de las anteriores especies son isoelectrónicas.

Datos: Números atómicos,

Z

: F: 9; Ar: 18; K: 19; Ca: 20; Fe: 26.

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Resultado

\boxed{\;\text{F}^-: 1s^2 2s^2 2p^6 \quad \text{K}^+,\ \text{Ar},\ \text{Ca}^{2+}: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 \quad \text{Fe}: [\text{Ar}]\,3d^6 4s^2\;}

b) Solo el Fe: 4 electrones desapareados en el $3d$ (Hund).
c) Son isoelectrónicas $\text{K}^+$ , $\text{Ar}$ y $\text{Ca}^{2+}$ (18 electrones).

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Primero se cuentan los electrones de cada especie:

Z

menos la carga (

Z+1

en un anión con carga

-1

Z-2

en un catión

2+

). Después se reparten por el diagrama de Moeller (orden de energía creciente,

n+\ell

), respetando el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund. Con las configuraciones a la vista, b) se decide mirando qué subniveles quedan a medio llenar, y c) comparando el número total de electrones.

Desarrollo

a) Configuraciones electrónicas

Número de electrones de cada especie:

Especie	$Z$	Carga	Electrones
$\text{F}^-$	9	$-1$	10
$\text{K}^+$	19	$+1$	18
$\text{Ar}$	18	0	18
$\text{Ca}^{2+}$	20	$+2$	18
$\text{Fe}$	26	0	26

Llenando los subniveles en el orden

1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\ldots

\text{F}^-:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6

\text{K}^+:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6

\text{Ar}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6

\text{Ca}^{2+}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6

\text{Fe}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6 = [\text{Ar}]\,3d^6\,4s^2

En los cationes se parte del átomo neutro y se quitan los electrones de la capa más externa: el K (

[\text{Ar}]\,4s^1

) pierde su

4s^1

y el Ca (

[\text{Ar}]\,4s^2

) sus dos

4s

. El

\text{F}

(

1s^2\,2s^2\,2p^5

) gana un electrón y completa el

2p

.

b) Electrones desapareados

Un electrón está desapareado cuando ocupa él solo un orbital. Eso solo puede ocurrir en un subnivel incompleto:

$\text{F}^-$ , $\text{K}^+$ , $\text{Ar}$ y $\text{Ca}^{2+}$ tienen todos sus subniveles llenos ( $s^2$ , $p^6$ ): cada orbital lleva dos electrones con espines opuestos (Pauli). No tienen electrones desapareados.
$\text{Fe}$ : el subnivel $3d$ tiene 5 orbitales y solo 6 electrones. Por la regla de Hund, los electrones ocupan primero un orbital cada uno, con espines paralelos, y solo después se emparejan:

3d^6:\quad (\uparrow\downarrow)\,(\uparrow)\,(\uparrow)\,(\uparrow)\,(\uparrow)

El hierro tiene 4 electrones desapareados. Es la única especie de la lista con electrones desapareados.

c) Especies isoelectrónicas

Son isoelectrónicas las especies que tienen el mismo número de electrones (y por tanto la misma configuración electrónica), aunque tengan distinto

Z

\text{K}^+

\text{Ar}

\text{Ca}^{2+}

tienen 18 electrones y la configuración

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

: son isoelectrónicas (las tres tienen la configuración del argón).

El

\text{F}^-

tiene 10 electrones (es isoelectrónico con el neón, que no está en la lista) y el

\text{Fe}

, 26: no son isoelectrónicos con ninguna de las otras especies.

Consejo

Antes de escribir una configuración, cuenta los electrones: en un ion no son $Z$ . Es el fallo más frecuente y arrastra los tres apartados.

En los metales de transición, el $4s$ se llena antes que el $3d$ , pero en la configuración final se suele escribir ordenado por capas ( $[\text{Ar}]\,3d^6\,4s^2$ ). Y para contar desapareados, dibuja las cajitas del $3d$ : con 6 electrones son 4, no 2.