QuímicaMedio2,5 pts

Estructura atómica y números cuánticos

También trata: Sistema periódico y propiedades periódicas

Extremadura · 2019 · Junio · Opción A

Enunciado

Dadas las siguientes configuraciones electrónicas:

A)

1s^2\,2s^1

; B)

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

; C)

1s^2\,2s^2\,2p^7\,3s^2\,3p^4

; D)

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

; E)

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,4s^1

.

a) (1 punto) Indicar, razonadamente, qué configuraciones son imposibles y cuál representa un estado excitado.

b) (0,75 puntos) De las configuraciones posibles, indicar el grupo y nivel del elemento.

c) (0,75 puntos) Para las configuraciones posibles, razonar, cuál será el ion más probable.

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Resultado

\boxed{\;\text{Imposibles: C } (2p^7) \text{ y D } (2d);\ \text{excitada: E}\;}

\boxed{\;\text{A: Li, periodo 2, grupo 1;\ B: F, periodo 2, grupo 17;\ E: Al, periodo 3, grupo 13}\;}

\boxed{\;\text{Li}^+,\ \text{F}^-,\ \text{Al}^{3+}\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Una configuración es imposible si contradice las reglas de los números cuánticos: un subnivel que no existe para ese

n

(con

n = 2

solo hay

l = 0

l = 1

, es decir,

2s

2p

) o más electrones de los que caben en un subnivel (un

p

admite como mucho 6, por el principio de exclusión de Pauli). Es excitada si es posible pero no sigue el orden de llenado (Aufbau): hay un electrón en un subnivel de más energía con otro de menos energía vacío.

Para el grupo y el periodo se mira el elemento, que lo fija el número total de electrones (el átomo neutro tiene

Z

electrones), y su configuración fundamental. El ion más probable es el que alcanza la configuración del gas noble más cercano.

Desarrollo

a) Configuraciones imposibles y estado excitado

A) $1s^2\,2s^1$ : correcta y en el orden de llenado. Estado fundamental (3 electrones).
B) $1s^2\,2s^2\,2p^5$ : correcta, estado fundamental (9 electrones).
C) $1s^2\,2s^2\,2p^7\,3s^2\,3p^4$ : imposible. Un subnivel $p$ tiene tres orbitales ( $m_l = -1, 0, +1$ ) y en cada orbital caben dos electrones con espín opuesto (principio de exclusión de Pauli): como mucho $2p^6$ , nunca $2p^7$ .
D) $1s^2\,2s^2\,2p^6\,2d^2$ : imposible. Para $n = 2$ el número cuántico $l$ solo puede valer $0$ ( $s$ ) o $1$ ( $p$ ), porque $l \le n - 1$ . El subnivel $2d$ ( $l = 2$ ) no existe; los orbitales $d$ aparecen a partir de $n = 3$ .
E) $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,4s^1$ : posible, pero excitada. Tiene 13 electrones y, según el orden de llenado, el electrón número 13 debería ir al $3p$ (de menor energía que el $4s$ ), que está vacío. El estado fundamental de ese átomo es $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1$ : un electrón ha saltado del $3p$ al $4s$ al absorber energía.

b) Grupo y nivel (periodo) de los elementos posibles

El periodo es el número cuántico principal más alto de la configuración fundamental (el nivel de valencia) y el grupo sale de los electrones de valencia:

Configuración	$Z$	Configuración fundamental	Elemento	Periodo (nivel)	Grupo
A	3	$[\text{He}]\,2s^1$	Litio, Li	2	1 (alcalinos)
B	9	$[\text{He}]\,2s^2\,2p^5$	Flúor, F	2	17 (halógenos)
E	13	$[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^1$	Aluminio, Al	3	13 (térreos)

En E hay que fijarse en el elemento, no en el electrón excitado: el

4s^1

no lo convierte en un elemento del periodo 4 ni del grupo 1. Excitar un electrón no cambia el número de protones, así que sigue siendo aluminio, del periodo 3 y del grupo 13.

c) Ion más probable

Cada átomo tiende a ganar o perder los electrones justos para quedarse con la configuración de gas noble (ocho electrones en la última capa, o dos en el caso del helio):

Li ( $2s^1$ ): pierde con facilidad su único electrón de valencia (energía de ionización baja) y queda con la configuración del helio, $1s^2$ : $\text{Li}^+$ .
F ( $2s^2\,2p^5$ ): le falta un electrón para completar el octeto y tiene una afinidad electrónica muy alta: gana uno y queda como el neón, $1s^2\,2s^2\,2p^6$ : $\text{F}^-$ .
Al ( $3s^2\,3p^1$ ): pierde sus tres electrones de valencia y queda como el neón: $\text{Al}^{3+}$ . Ganar cinco electrones para llegar al argón sería energéticamente inviable.

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

Consejo

Para cazar una configuración imposible, revisa dos cosas: que el subnivel exista ( $l \le n-1$ : no hay $1p$ , $2d$ ni $3f$ ) y que no pase de su capacidad ( $s^2$ , $p^6$ , $d^{10}$ , $f^{14}$ ).

En un estado excitado, el grupo y el periodo son los del elemento: cuenta los electrones, saca $Z$ y escribe su configuración fundamental antes de situarlo en la tabla.