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Estructura atómica y números cuánticos

También trata: Sistema periódico y propiedades periódicas

Extremadura · 2019 · Julio · Opción B

Enunciado

Dados los elementos A, B, C, D y E, cuyos números atómicos son, 20, 26, 29, 31 y 34, respectivamente. Indicar, razonando la respuesta:

a) (1,5 puntos) La configuración electrónica de sus respectivos estados fundamentales, y el grupo y nivel al que pertenecen.

b) (1 punto) Indicar, razonadamente, cuál es el elemento de mayor radio atómico y el de mayor energía de ionización.

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Resultado

a) A: $[\text{Ar}]\,4s^2$ , grupo 2; B: $[\text{Ar}]\,3d^6\,4s^2$ , grupo 8; C: $[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$ , grupo 11; D: $[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^1$ , grupo 13; E: $[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^4$ , grupo 16. Todos, nivel 4.
b) Mayor radio: A (Ca). Mayor energía de ionización: E (Se).

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

a) Se llenan los orbitales por orden de energía creciente (diagrama de Moeller: $1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\,4p$ …). El periodo (nivel) es el mayor $n$ ocupado y el grupo sale de los electrones de valencia: en el bloque s, los electrones $ns$ ; en el bloque d, los $ns + (n-1)d$ ; en el bloque p, $10 +$ los electrones $ns + np$ . Ojo con el cobre, que es una excepción.
b) Los cinco están en el periodo 4: a lo largo del periodo aumenta la carga nuclear efectiva, de modo que el radio disminuye y la energía de ionización aumenta.

Desarrollo

a) Configuraciones, grupo y nivel

Las cinco configuraciones parten de la del argón,

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

(18 electrones):

Elemento	$Z$	Configuración	Nivel (periodo)	Grupo
A (Ca)	$20$	$[\text{Ar}]\,4s^2$	$4$	$2$ (alcalinotérreos)
B (Fe)	$26$	$[\text{Ar}]\,3d^6\,4s^2$	$4$	$8$ (metal de transición)
C (Cu)	$29$	$[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$	$4$	$11$ (metal de transición)
D (Ga)	$31$	$[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^1$	$4$	$13$ (térreos)
E (Se)	$34$	$[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^4$	$4$	$16$ (anfígenos)

Razonamiento:

Todos tienen electrones en la capa $n = 4$ y ninguno en la $n = 5$ : pertenecen al nivel (periodo) 4.
A: su último electrón entra en un orbital $s$ (bloque s) con 2 electrones de valencia: grupo 2.
B: el electrón diferenciador entra en $3d$ (bloque d); $4s^2\,3d^6$ suman 8 electrones: grupo 8.
C: por el orden de llenado le correspondería $[\text{Ar}]\,3d^9\,4s^2$ , pero la configuración real es $[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$ : un electrón pasa del $4s$ al $3d$ porque la subcapa $3d$ llena es especialmente estable. Bloque d, $1 + 10 = 11$ electrones: grupo 11.
D: el último electrón entra en $4p$ (bloque p) con $4s^2\,4p^1$ : grupo $10 + 3 = 13$ .
E: bloque p con $4s^2\,4p^4$ : grupo $10 + 6 = 16$ .

b) Mayor radio y mayor energía de ionización

Los cinco elementos tienen su capa de valencia en

n = 4

. Al avanzar por el periodo aumenta el número de protones y los electrones que se añaden están en la misma capa (o en la

3d

, interna), que apantalla poco: la carga nuclear efectiva que sienten los electrones externos crece de A a E.

Radio atómico: cuanto mayor es la carga nuclear efectiva, más atraídos están los electrones externos y menor es el átomo. El de mayor radio es A (Ca), el primero del periodo de los cinco y con la menor carga nuclear efectiva.
Energía de ionización: es la energía necesaria para arrancar el electrón más externo de un átomo gaseoso. Cuanto más pequeño es el átomo y mayor su carga nuclear efectiva, más cuesta arrancarlo. La mayor energía de ionización corresponde a E (Se), el más a la derecha del periodo y el de menor radio de los cinco; además, con $4p^4$ le faltan solo dos electrones para el gas noble y no tiende a perderlos.

Consejo

El cobre (y el cromo) son las excepciones que más caen: $[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$ y $[\text{Ar}]\,3d^{5}\,4s^1$ . Si escribes la del diagrama de Moeller ( $3d^9\,4s^2$ ), indica al menos que la real es la de la subcapa $d$ llena.

Para el grupo de un elemento del bloque p no cuentes solo los electrones $p$ : súmale los dos $s$ y los diez del bloque d (grupo 13 para $4s^2\,4p^1$ , no grupo 3).