QuímicaFácilCuestión · 2 pts

Estructura atómica y números cuánticos

También trata: Sistema periódico y propiedades periódicas
Comunidad de Madrid · 2021 · Junio
Enunciado
Dados los elementos A (Z=17Z = 17), B (Z=35Z = 35), C (Z=19Z = 19) y D (Z=11Z = 11):

a) (1 punto) Escriba la configuración electrónica de cada uno de ellos.

b) (0,5 puntos) Justifique cuáles se encuentran en el mismo periodo.

c) (0,5 puntos) Razone si el elemento D (Z=11Z = 11) presenta mayor afinidad electrónica que el A (Z=17Z = 17).
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Resultado
  • a) A: [Ne] 3s23p5[\text{Ne}]\,3s^2 3p^5; B: [Ar] 4s23d104p5[\text{Ar}]\,4s^2 3d^{10} 4p^5; C: [Ar] 4s1[\text{Ar}]\,4s^1; D: [Ne] 3s1[\text{Ne}]\,3s^1.
  • b) A y D en el periodo 3; B y C en el periodo 4.
  • c) No: D (Na) tiene menor afinidad electrónica que A (Cl).
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Todo sale de la configuración electrónica. Se llenan los orbitales por orden de energía creciente (regla de Madelung o diagrama de Moeller): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p…1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\,4p\ldots, con tantos electrones como indica ZZ (átomos neutros).

De la configuración se lee la posición en la tabla: el periodo es el mayor valor de nn que aparece, y el grupo lo dan los electrones de la capa de valencia. Con la posición, la afinidad electrónica se razona por su variación en el periodo: crece hacia la derecha porque aumenta la carga nuclear efectiva y disminuye el radio.
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Desarrollo

a) Configuraciones electrónicas.

Siguiendo el orden de llenado:
  • A (Z=17Z = 17): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p51s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
  • B (Z=35Z = 35): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p51s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^5
  • C (Z=19Z = 19): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s11s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1
  • D (Z=11Z = 11): 1s2 2s2 2p6 3s11s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1
Comprueba siempre que la suma de los superíndices es ZZ: en B, 2+2+6+2+6+2+10+5=352+2+6+2+6+2+10+5 = 35. Fíjate en que en C el electrón 19 va al 4s4s y no al 3d3d: el 4s4s tiene menor energía (n+l=4n + l = 4 frente a n+l=5n + l = 5).

b) Elementos del mismo periodo.

El periodo coincide con el número cuántico principal más alto de la configuración, es decir, con la capa de valencia:
ElementoCapa de valenciaPeriodoGrupoElemento real
A (Z=17Z=17)3s2 3p53s^2\,3p^5317 (halógenos)Cl
B (Z=35Z=35)4s2 4p54s^2\,4p^5417 (halógenos)Br
C (Z=19Z=19)4s14s^141 (alcalinos)K
D (Z=11Z=11)3s13s^131 (alcalinos)Na
Por tanto, A y D están en el tercer periodo y B y C en el cuarto. (A y B comparten grupo, igual que C y D, pero eso no es lo que se pregunta.)

c) Afinidad electrónica de D frente a A.

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

D (Na) y A (Cl) están en el mismo periodo, así que sus electrones de valencia están en la misma capa (n=3n = 3). Al avanzar de izquierda a derecha en el periodo:
  • aumenta la carga nuclear (ZZ pasa de 11 a 17) y, como los electrones añadidos van a la misma capa y apantallan poco, aumenta la carga nuclear efectiva;
  • en consecuencia disminuye el radio atómico y el núcleo atrae con más fuerza a un electrón que llegue de fuera.
Además, A (3s2 3p53s^2\,3p^5) completa su octeto al captar un electrón (3s2 3p63s^2\,3p^6, configuración de gas noble), mientras que D (3s13s^1) tiende a perder su electrón, no a ganar otro.

Por tanto, D no tiene mayor afinidad electrónica que A: es al revés, A (el cloro, uno de los elementos con mayor afinidad electrónica, unos 349 kJ mol−1349\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}) supera ampliamente a D (el sodio, unos 53 kJ mol−153\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}).
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

El periodo lo marca el mayor nn, no el último orbital que se escribe: en el bromo la configuración acaba en 4p54p^5, pero aunque acabara en 3d3d (como en un metal de transición) el periodo seguiría siendo el del 4s4s. No te dejes llevar por el orden de escritura.

En c) no basta con decir «la afinidad aumenta hacia la derecha»: el corrector quiere el porqué (más carga nuclear efectiva y menor radio en la misma capa). Una línea de causa convierte una afirmación de memoria en una respuesta razonada.
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