QuímicaFácil2 pts

Sistema periódico y propiedades periódicas

También trata: Estructura atómica y números cuánticos · Enlace químico y geometría molecular
Castilla y León · 2022 · Julio
Enunciado
Dados los elementos A (Z=20Z = 20), B (Z=35Z = 35), C (Z=23Z = 23) y D (Z=39Z = 39) responda a las siguientes cuestiones:

a) (0,4 puntos) Escriba sus configuraciones electrónicas ordenadas.

b) (0,4 puntos) Razone cuál será el ion más estable de los elementos A y B.

c) (0,5 puntos) Explique el compuesto y tipo de enlace que tendría lugar entre los átomos de los elementos A y B e indique tres propiedades del compuesto.

d) (0,7 puntos) Defina energía de ionización. ¿Qué elemento de los dados presenta la mayor energía de ionización? Explíquelo razonadamente.
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Resultado
  • a) A: [Ar]4s2[\text{Ar}]4s^2 (Ca); B: [Ar]3d104s24p5[\text{Ar}]3d^{10}4s^24p^5 (Br); C: [Ar]3d34s2[\text{Ar}]3d^34s^2 (V); D: [Kr]4d15s2[\text{Kr}]4d^15s^2 (Y).
  • b) Ca2+\text{Ca}^{2+} y Br−\text{Br}^- (configuración de gas noble).
  • c) CaBr2\text{CaBr}_2, iónico: sólido de alto punto de fusión, soluble en agua y conductor fundido o disuelto.
  • d) El bromo (B).
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Todo sale de la configuración electrónica. Se rellenan los orbitales por orden de energía (diagrama de Moeller) y, de la capa de valencia, se deduce el periodo y el grupo de cada elemento: A es el calcio, B el bromo, C el vanadio y D el itrio.
  • b) Cada átomo gana o pierde los electrones justos para quedarse con la configuración del gas noble más cercano.
  • c) Un metal muy electropositivo (Ca) con un no metal muy electronegativo (Br): transferencia de electrones, enlace iónico.
  • d) La energía de ionización crece hacia la derecha en un periodo y hacia arriba en un grupo: gana el elemento situado más a la derecha y más arriba.
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Desarrollo

a) Configuraciones electrónicas

Se llenan los orbitales en el orden 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d…1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\,4p\,5s\,4d\ldots:
  • A (Z=20Z = 20): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s21s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2, es decir, [Ar] 4s2[\text{Ar}]\,4s^2. Periodo 4, grupo 2: calcio.
  • 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, es decir, [Ar] 3d10 4s2 4p5[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^5. Periodo 4, grupo 17: bromo.
  • C (Z=23Z = 23): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d31s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^3, es decir, [Ar] 3d3 4s2[\text{Ar}]\,3d^3\,4s^2. Periodo 4, grupo 5: vanadio (metal de transición).
  • D (Z=39Z = 39): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d11s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^6\,5s^2\,4d^1, es decir, [Kr] 4d1 5s2[\text{Kr}]\,4d^1\,5s^2. Periodo 5, grupo 3: itrio (metal de transición).
b) Ion más estable de A y B
  • A (calcio) tiene dos electrones en la capa de valencia (4s24s^2). Perdiéndolos (energía de ionización baja, es un metal alcalinotérreo) queda con la configuración del argón, 1s2 2s2 2p6 3s2 3p61s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6, muy estable. Su ion más estable es Ca2+\text{Ca}^{2+}.
  • B (bromo) tiene siete electrones de valencia (4s2 4p54s^2\,4p^5). Le falta uno para completar el octeto, y lo capta con facilidad (afinidad electrónica alta): queda con la configuración del criptón, [Ar] 3d10 4s2 4p6[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^6. Su ion más estable es Br−\text{Br}^-.
c) Compuesto entre A y B

El calcio cede sus dos electrones y cada bromo capta uno, así que hacen falta dos átomos de bromo por cada átomo de calcio. Para que el compuesto sea neutro:Ca2++2 Br−⟶CaBr2\text{Ca}^{2+} + 2\,\text{Br}^- \longrightarrow \text{CaBr}_2Se forma el bromuro de calcio, CaBr2\text{CaBr}_2, con enlace iónico: atracción electrostática entre los cationes Ca2+\text{Ca}^{2+} y los aniones Br−\text{Br}^-, que se ordenan en una red cristalina tridimensional (no hay moléculas). La gran diferencia de electronegatividad entre un metal del grupo 2 y un halógeno es lo que permite la transferencia de electrones.

Tres propiedades de los compuestos iónicos como el CaBr2\text{CaBr}_2:
  1. Son sólidos a temperatura ambiente con puntos de fusión y ebullición altos: hay que romper muchas atracciones electrostáticas fuertes en toda la red.
  2. Son solubles en disolventes polares como el agua (los dipolos del agua rodean y separan los iones) e insolubles en disolventes apolares.
  3. No conducen la electricidad en estado sólido (los iones están fijos en la red), pero sí fundidos o disueltos, porque entonces los iones pueden moverse.
(También son duros pero frágiles: un pequeño desplazamiento de la red enfrenta iones del mismo signo y el cristal se rompe.)

d) Energía de ionización

La energía de ionización (primera) es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido a un átomo neutro, en estado gaseoso y en su estado fundamental:X(g)+EI⟶X+(g)+e−\text{X}(g) + E_I \longrightarrow \text{X}^+(g) + e^-Variación en el sistema periódico:
  • En un periodo, aumenta de izquierda a derecha: crece la carga nuclear efectiva y el radio disminuye, así que los electrones están más atraídos por el núcleo.
  • En un grupo, disminuye hacia abajo: el electrón está en una capa más externa, más lejos del núcleo y más apantallado.
Ca, V y Br están en el periodo 4, en los grupos 2, 5 y 17, y el Y está en el periodo 5, grupo 3 (más abajo y a la izquierda). El bromo es el que está más a la derecha: su carga nuclear efectiva es la mayor y su radio el menor de los cuatro, y además es un no metal que tiende a ganar electrones, no a perderlos. Por tanto:EI(Y)≈EI(Ca)<EI(V)<EI(Br)E_I(\text{Y}) \approx E_I(\text{Ca}) < E_I(\text{V}) < E_I(\text{Br})El elemento B (bromo) presenta la mayor energía de ionización. (Los valores reales lo confirman: unos 1140 kJ/mol1140\ \text{kJ/mol} para el Br frente a 590590-650 kJ/mol650\ \text{kJ/mol} para el Ca, el V y el Y.)
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

«Configuraciones ordenadas» suele querer decir en el orden de llenado (Moeller). Si las escribes agrupadas por capas, como [Ar] 3d10 4s2 4p5[\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^5, deja claro que es la misma configuración: lo que no puede faltar es ningún electrón (comprueba que la suma de exponentes es ZZ).

En d) no basta con nombrar al bromo: hay que dar la definición completa (átomo gaseoso, estado fundamental) y explicar la tendencia con la carga nuclear efectiva y el radio.
Paso 1 de 3
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