QuímicaFácilCuestión · 2 pts

Estructura atómica y números cuánticos

También trata: Sistema periódico y propiedades periódicas · Enlace químico y geometría molecular

Comunidad de Madrid · 2019 · Junio · Opción A

Enunciado

Considere los átomos: A (

Z = 11

), B (

Z = 14

) y C (

Z = 17

) y responda las siguientes preguntas:

a) (0,5 puntos) Para cada uno de ellos, escriba la configuración electrónica, especifique el grupo y periodo del sistema periódico al que pertenece e identifique con nombre y símbolo cada elemento.

b) (0,5 puntos) Ordene los elementos en orden creciente de su afinidad electrónica. Razone la respuesta.

c) (0,5 puntos) Formule los compuestos formados al unirse:

n

átomos de A, C con C y A con C. Indique el tipo de enlace en cada caso.

d) (0,5 puntos) ¿Por qué los átomos presentan espectros de líneas y no continuos?

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Resultado

a) A: $[\text{Ne}]\,3s^1$ , sodio (Na), grupo 1, periodo 3; B: $[\text{Ne}]\,3s^2 3p^2$ , silicio (Si), grupo 14, periodo 3; C: $[\text{Ne}]\,3s^2 3p^5$ , cloro (Cl), grupo 17, periodo 3.
b) $\text{Na} < \text{Si} < \text{Cl}$ .
c) Na metálico (metálico); $\text{Cl}_2$ (covalente); NaCl (iónico).
d) Niveles de energía cuantizados: solo se emiten fotones de energías concretas.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Todo arranca de la configuración electrónica: con ella se lee el periodo (el mayor

n

) y el grupo (los electrones de la capa de valencia), y con la posición se identifica el elemento.

Los tres están en el mismo periodo, así que la afinidad electrónica se ordena solo por la carga nuclear efectiva, que crece hacia la derecha. Para el tipo de enlace basta con saber quién es metal y quién no metal: metal con metal, enlace metálico; no metal con no metal, covalente; metal con no metal, iónico.

El último apartado es teoría del modelo de Bohr: la energía del electrón está cuantizada.

Desarrollo

a) Configuraciones, posición e identidad.

Llenamos los orbitales por orden de energía (

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

) con

Z

electrones, porque son átomos neutros:

Átomo	Configuración	Capa de valencia	Periodo	Grupo	Elemento
A ( $Z=11$ )	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$	$3s^1$	3	1 (alcalinos)	Sodio, $\text{Na}$
B ( $Z=14$ )	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^2$	$3s^2\,3p^2$	3	14 (carbonoideos)	Silicio, $\text{Si}$
C ( $Z=17$ )	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$	$3s^2\,3p^5$	3	17 (halógenos)	Cloro, $\text{Cl}$

El periodo es el número cuántico principal más alto (

n = 3

en los tres). En el bloque

s

el grupo coincide con los electrones

s

de valencia (1); en el bloque

p

12 +

los electrones de valencia:

10 + 2 + 2 = 14

para el Si y

10 + 2 + 5 = 17

para el Cl.

b) Afinidad electrónica creciente.

La afinidad electrónica es la energía que se desprende cuando un átomo gaseoso capta un electrón. Cuanto más energía se libera, mayor es la tendencia del átomo a formar el anión.

Los tres elementos están en el tercer periodo: el electrón que llega entraría en la misma capa (

n = 3

). Al avanzar hacia la derecha:

aumenta la carga nuclear ( $Z$ = 11, 14, 17) y, como los electrones de la misma capa apantallan poco, aumenta la carga nuclear efectiva;
disminuye el radio atómico, y el núcleo atrae con más fuerza al electrón que llega.

Además, el cloro completa el octeto al captar un electrón (

3s^2\,3p^6

), mientras que el sodio tiende a perder su electrón

3s

, no a ganar otro. Por tanto:

\text{Na} < \text{Si} < \text{Cl} \qquad (\text{A} < \text{B} < \text{C})

Los valores experimentales lo confirman: unos

53

134

349\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}

, respectivamente.

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

c) Compuestos y tipo de enlace.

$n$ átomos de A: el sodio es un metal, así que sus átomos se unen entre sí mediante enlace metálico: una red de cationes $\text{Na}^+$ en un «mar» de electrones deslocalizados. Se formula $\text{Na}$ (o $\text{Na}_n$ , sodio metálico).
C con C: dos átomos de cloro comparten un par de electrones y cada uno completa su octeto: $\text{Cl}_2$ (dicloro), con enlace covalente simple y apolar (los dos átomos tienen la misma electronegatividad).
A con C: el sodio cede su electrón $3s$ al cloro ( $\text{Na} \to \text{Na}^+ + e^-$ ; $\text{Cl} + e^- \to \text{Cl}^-$ ), y los iones se atraen y forman una red cristalina: $\text{NaCl}$ (cloruro de sodio), con enlace iónico. La gran diferencia de electronegatividad entre un alcalino y un halógeno es lo que permite la transferencia del electrón.

d) Espectros de líneas.

Según el modelo de Bohr (y la mecánica cuántica), el electrón de un átomo solo puede tener ciertos valores de energía: los niveles energéticos están cuantizados. Cuando el electrón salta de un nivel a otro, absorbe o emite un fotón cuya energía es exactamente la diferencia entre los dos niveles:

\Delta E = E_{\text{superior}} - E_{\text{inferior}} = h\,\nu

Como solo hay unos pocos valores posibles de

\Delta E

, solo se emiten (o absorben) unas frecuencias concretas, que aparecen como líneas separadas en el espectro. Si la energía del electrón pudiera tomar cualquier valor, se emitirían todas las frecuencias y el espectro sería continuo. Cada elemento tiene sus propios niveles, por eso su espectro de líneas es como una «huella dactilar».

Consejo

En b) no te quedes en «la afinidad aumenta hacia la derecha»: di por qué (más carga nuclear efectiva y menor radio en la misma capa). Esa línea de causa es lo que puntúa.

En c), « $n$ átomos de A» es la pista de que se trata del metal en sí: el enlace entre átomos de sodio es metálico, no covalente ni iónico. Y en d) la palabra clave es cuantización: sin ella la respuesta queda incompleta.