QuímicaFácil2 pts

Sistema periódico y propiedades periódicas

También trata: Estructura atómica y números cuánticos

Castilla y León · 2021 · Julio

Enunciado

Conteste las siguientes cuestiones:

a) (0,4 puntos) Defina energía de ionización de un elemento.

b) (0,8 puntos) Explique la variación en la tabla periódica de esta propiedad y ordene de menor a mayor energía de ionización los siguientes átomos: rubidio, sodio, silicio, azufre y cloro.

c) (0,8 puntos) Escriba la configuración electrónica del hierro ordenada y escriba los números cuánticos posibles de su electrón diferenciador.

Datos: números atómicos:

\text{Na} = 11

;

\text{Si} = 14

;

\text{S} = 16

;

\text{Cl} = 17

;

\text{Fe} = 26

;

\text{Rb} = 37

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Resultado

a) Energía mínima para arrancar el electrón más externo de un átomo gaseoso en estado fundamental.
b) Crece hacia la derecha y hacia arriba: $\text{Rb} < \text{Na} < \text{Si} < \text{S} < \text{Cl}$ .
c) $\text{Fe}$ : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6\,4s^2$ ; electrón diferenciador $(3, 2, +2, -\tfrac{1}{2})$ .

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

La energía de ionización mide lo fuertemente que el núcleo retiene al electrón más externo. Depende de dos factores: la carga nuclear efectiva que nota ese electrón y su distancia al núcleo (el nivel

n

a) Definición precisa: átomo en estado gaseoso y fundamental, energía mínima, un electrón.
b) Aumenta hacia la derecha en un periodo y hacia arriba en un grupo. Situamos los cinco elementos y los ordenamos.
c) Configuración del Fe ( $Z = 26$ ) por el diagrama de Moeller y luego ordenada por niveles; el electrón diferenciador es el último que entra, en un orbital $3d$ .

Desarrollo

a) Definición

La energía de ionización (primera) es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más débilmente retenido de un átomo neutro, en estado gaseoso y fundamental, formando un ion monopositivo:

\text{X}(g) + E_I \longrightarrow \text{X}^+(g) + e^-

Es siempre positiva (hay que aportar energía) y se suele dar en

\text{kJ/mol}

o en

\text{eV}

.

b) Variación periódica y ordenación

En un periodo (de izquierda a derecha) los electrones entran en el mismo nivel, pero aumenta la carga nuclear y con ella la carga nuclear efectiva; el radio disminuye y el electrón está más retenido: la energía de ionización aumenta hacia la derecha (con alguna irregularidad, como Be-B o N-O).
En un grupo (de arriba abajo) el electrón externo ocupa un nivel $n$ cada vez mayor, más alejado del núcleo y más apantallado por las capas internas: la energía de ionización disminuye hacia abajo.

Situación de los elementos:

Elemento	$Z$	Configuración de valencia	Periodo	Grupo
Na	11	$3s^1$	3	1
Si	14	$3s^2\,3p^2$	3	14
S	16	$3s^2\,3p^4$	3	16
Cl	17	$3s^2\,3p^5$	3	17
Rb	37	$5s^1$	5	1

Na, Si, S y Cl están en el periodo 3: su energía de ionización crece en ese orden,

\text{Na} < \text{Si} < \text{S} < \text{Cl}

. El Rb está en el mismo grupo que el Na pero dos periodos más abajo: su electrón

5s

está mucho más lejos del núcleo y es el más fácil de arrancar,

\text{Rb} < \text{Na}

E_I:\quad \text{Rb} < \text{Na} < \text{Si} < \text{S} < \text{Cl}

(Valores reales: 403, 496, 787, 1000 y 1251 kJ/mol.)

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

c) Configuración del hierro y electrón diferenciador

Llenando por orden de energía (diagrama de Moeller), el Fe (

Z = 26

) es:

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

Y ordenada por niveles (lo que pide el enunciado):

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

El electrón diferenciador es el último que entra, el sexto electrón

3d

. Por estar en un orbital

3d

$n = 3$ (tercer nivel)
$l = 2$ (orbital $d$ )
$m_l$ puede valer $-2, -1, 0, +1$ o $+2$
$m_s = +\tfrac{1}{2}$ o $-\tfrac{1}{2}$

Concretando con la regla de Hund: los cinco primeros electrones

3d

ocupan los cinco orbitales con espines paralelos (

m_s = +\tfrac{1}{2}

), y el sexto se aparea en el primero de ellos con espín contrario. Si se llenan desde

m_l = +2

, el electrón diferenciador es

(n,\ l,\ m_l,\ m_s) = \left(3,\ 2,\ +2,\ -\tfrac{1}{2}\right)

(Con el convenio de empezar por

m_l = -2

sería

(3, 2, -2, -\tfrac{1}{2})

; cualquiera de las dos respuestas razonadas es correcta.)

Consejo

En la definición de a) no olvides «en estado gaseoso»: sin esa condición la definición no está completa y se pierde parte de la nota.

En c), «ordenada» quiere decir agrupada por niveles ( $3d^6$ antes que $4s^2$ ), no en el orden de llenado. Y el electrón diferenciador del hierro es un electrón $3d$ , no el $4s$ : es el último que entra, aunque al ionizar el hierro salgan primero los $4s$ .

Paso 1 de 3

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