QuímicaFácilCuestión · 3 pts

Sistema periódico y propiedades periódicas

También trata: Estructura atómica y números cuánticos · Enlace químico y geometría molecular
Castilla-La Mancha · 2023 · Julio
Enunciado
Considere los elementos A, B, C y D, cuyos números atómicos (Z) son 16, 17, 18 y 19, respectivamente. Responda razonadamente a las siguientes cuestiones:

a) (1 punto) Escriba la configuración electrónica de cada uno de ellos, e indique a qué grupo y período de la Tabla Periódica pertenecen.

b) (0,5 puntos) Ordene los elementos por orden creciente (de menor a mayor) de la primera energía de ionización.

c) (0,5 puntos) Escriba una posible combinación de números cuánticos (nn, ll, mm, ss) para el electrón diferenciador del elemento con número atómico 19.

d) (1 punto) Deduzca la fórmula molecular del compuesto que se formaría entre los elementos A y D, e indique el tipo de enlace que les une.
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Resultado
  • a) S: [Ne] 3s23p4[\text{Ne}]\,3s^2 3p^4 (g. 16, p. 3); Cl: [Ne] 3s23p5[\text{Ne}]\,3s^2 3p^5 (g. 17, p. 3); Ar: [Ne] 3s23p6[\text{Ne}]\,3s^2 3p^6 (g. 18, p. 3); K: [Ar] 4s1[\text{Ar}]\,4s^1 (g. 1, p. 4).
  • b) K<S<Cl<Ar\text{K} < \text{S} < \text{Cl} < \text{Ar}.
  • c) (4,0,0,+12)(4, 0, 0, +\tfrac{1}{2}).
  • d) K2S\text{K}_2\text{S}, enlace iónico.
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Estrategia

Son cuatro elementos consecutivos: azufre, cloro, argón y potasio. Los tres primeros cierran el tercer periodo; el potasio, con un electrón más, ya no cabe en la capa 3 (el 4s4s se llena antes que el 3d3d) y abre el cuarto periodo.

Ese salto de capa lo explica casi todo: el potasio tiene su electrón de valencia mucho más lejos del núcleo y lo pierde con facilidad (energía de ionización baja), mientras que en el periodo 3 la energía de ionización crece hacia la derecha hasta el gas noble. Y un metal que pierde fácilmente un electrón frente a un no metal que quiere ganar dos forma un compuesto iónico.
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Desarrollo

a) Configuraciones electrónicas, grupo y periodo

Siguiendo el orden de llenado (1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d…1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\ldots):
ZConfiguración electrónicaElementoGrupoPeriodo
A161s2 2s2 2p6 3s2 3p41s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4S (azufre)16 (anfígenos)3
B171s2 2s2 2p6 3s2 3p51s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5Cl (cloro)17 (halógenos)3
C181s2 2s2 2p6 3s2 3p61s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6Ar (argón)18 (gases nobles)3
D191s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s11s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1K (potasio)1 (alcalinos)4
El periodo es la capa más externa (nn máximo) y el grupo sale de los electrones de valencia: en el bloque p, el grupo es 10+10 + (electrones ss + electrones pp), así que s2p4s^2p^4 es el grupo 16, s2p5s^2p^5 el 17 y s2p6s^2p^6 el 18; en el bloque s, s1s^1 es el grupo 1.

b) Primera energía de ionización

La energía de ionización es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más externo de un átomo gaseoso en estado fundamental.
  • Dentro del periodo 3 (S, Cl, Ar): los electrones de valencia están en la misma capa y la carga nuclear efectiva aumenta hacia la derecha, de modo que el radio disminuye y los electrones están más atraídos: EI(S)<EI(Cl)<EI(Ar)\text{EI(S)} < \text{EI(Cl)} < \text{EI(Ar)}. El argón, con la capa completa (3s2 3p63s^2\,3p^6, configuración de gas noble muy estable), es el que tiene la mayor.
  • El potasio: su único electrón de valencia está en el 4s4s, una capa más alejada y apantallada por todos los electrones internos. Arrancarlo cuesta muy poco, y además así alcanza la configuración del argón. Es, con diferencia, el de menor energía de ionización.
K<S<Cl<Ar(D<A<B<C)\text{K} < \text{S} < \text{Cl} < \text{Ar} \qquad (\text{D} < \text{A} < \text{B} < \text{C})
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
c) Números cuánticos del electrón diferenciador del K (Z = 19)

El electrón diferenciador es el último que entra en la configuración, el 4s14s^1:
  • n=4n = 4 (cuarta capa).
  • l=0l = 0 (orbital ss).
  • m=0m = 0 (con l=0l = 0, el único valor posible de mm).
  • s=+12s = +\tfrac{1}{2} (o −12-\tfrac{1}{2}: con un solo electrón en el orbital, cualquiera de los dos vale).
(n, l, m, s)=(4, 0, 0, +12)(n,\ l,\ m,\ s) = \left(4,\ 0,\ 0,\ +\tfrac{1}{2}\right)d) Compuesto entre A (S) y D (K)
  • El potasio (metal alcalino, muy poco electronegativo y con EI muy baja) tiende a perder su electrón 4s14s^1 y formar K+\text{K}^+, con la configuración del argón.
  • El azufre (no metal, bastante electronegativo, 3s2 3p43s^2\,3p^4) tiende a ganar dos electrones y formar S2−\text{S}^{2-}, también con la configuración del argón.
La gran diferencia de electronegatividad provoca una transferencia de electrones: se forman iones de signo contrario que se atraen electrostáticamente y se ordenan en una red cristalina. El enlace es iónico.

Por neutralidad eléctrica, cada S2−\text{S}^{2-} necesita dos K+\text{K}^+:2 K+S⟶2 K++S2−  ⇒  K2S (sulfuro de potasio)2\,\text{K} + \text{S} \longrightarrow 2\,\text{K}^+ + \text{S}^{2-} \;\Rightarrow\; \text{K}_2\text{S} \ (\text{sulfuro de potasio})Hablando con propiedad, al ser un compuesto iónico no hay moléculas: K2S\text{K}_2\text{S} es su fórmula empírica e indica la proporción 2 : 1 de los iones en la red.
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Consejo

El error clásico es colocar el potasio en el periodo 3 escribiendo 3d13d^1: el 4s4s se llena antes que el 3d3d, así que K es [Ar] 4s1[\text{Ar}]\,4s^1, periodo 4.

En b) justifica las dos cosas por separado: dentro del periodo manda la carga nuclear efectiva y el potasio queda el último porque su electrón está en una capa más externa. En d) no digas «molécula» de K2S\text{K}_2\text{S} sin matizar: es una red iónica.
Paso 1 de 3
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