QuímicaMedio2,5 pts

Estructura atómica y números cuánticos

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

Comunidad de Madrid · 2025 · Junio (coincidentes)

Enunciado

Considere las siguientes configuraciones electrónicas: (A)

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^{10}\,4p^6\,4d^7

; (B)

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

; (C)

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

; y (D)

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5

. Conteste razonadamente a las siguientes cuestiones:

a) (1 punto) ¿Alguna corresponde a un estado excitado? En caso afirmativo, razone cuál sería la configuración electrónica del elemento en su estado fundamental.

b) (0,5 puntos) ¿Cuál pertenece a un elemento cuyo anión monovalente tiene estructura de gas noble?

c) (0,5 puntos) De los elementos (B) o (D), ¿cuál presenta el valor más alto de su primera energía de ionización?

d) (0,5 puntos) ¿Es posible la formación de los compuestos

\text{D}_2

\text{BD}

? En caso afirmativo, identifíquelos escribiendo su fórmula e indique el tipo de enlace.

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Resultado

a) A y C son estados excitados. Fundamentales: A, $[\text{Kr}]\,5s^2\,4d^3$ ; C, $[\text{Ar}]\,4s^1$ .
b) D (cloro): $\text{Cl}^-$ tiene la configuración del argón.
c) D (cloro) tiene mayor energía de ionización que B (sodio).
d) Sí: $\text{Cl}_2$ , enlace covalente; $\text{NaCl}$ , enlace iónico.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Lo primero es contar electrones de cada configuración: en un átomo neutro, ese número es

Z

e identifica el elemento. Después se comprueba si los subniveles se han llenado en el orden de energía creciente (regla de Madelung:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d\dots

). Si queda vacío un subnivel de menor energía mientras hay electrones en otro de mayor energía, la configuración es de un estado excitado.

Con los elementos identificados, el resto son propiedades periódicas y tipos de enlace.

Desarrollo

a) Estados excitados.

	Configuración	Electrones	Elemento	¿Fundamental?
A	$\dots 3d^{10}\,4p^6\,4d^7$	41	Nb	No
B	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$	11	Na	Sí
C	$\dots 3p^6\,3d^1$	19	K	No
D	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$	17	Cl	Sí

A tiene vacíos los orbitales $4s$ y $5s$ , que son de menor energía que los $4d$ que sí están ocupados: es un estado excitado (cuatro electrones promocionados). Llenando por orden de energía, sus 41 electrones quedan:

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^6\,5s^2\,4d^3 \;=\; [\text{Kr}]\,5s^2\,4d^3

(Es el niobio. Experimentalmente su estado fundamental es la excepción

[\text{Kr}]\,5s^1\,4d^4

, pero en el examen basta con el orden de llenado.)

C tiene su último electrón en un $3d$ con el $4s$ vacío, y el $4s$ es de menor energía: es un estado excitado. Su estado fundamental (potasio) es

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1 \;=\; [\text{Ar}]\,4s^1

B (sodio) y D (cloro) están en su estado fundamental.

b) Anión monovalente con estructura de gas noble: D.

D (cloro) tiene siete electrones de valencia,

3s^2\,3p^5

. Al ganar un electrón forma el anión

\text{D}^-

(

\text{Cl}^-

), que completa el octeto con la configuración del argón:

\text{Cl}^-:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6 = [\text{Ar}]

(El

\text{B}^-

sería

3s^2

, que no es de gas noble: el sodio tiende a formar

\text{Na}^+

.)

c) Mayor primera energía de ionización: D.

La primera energía de ionización es la energía mínima para arrancar el electrón más externo de un átomo gaseoso en su estado fundamental:

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

.

B (Na, grupo 1) y D (Cl, grupo 17) están en el mismo periodo (el 3). Hacia la derecha del periodo aumenta la carga nuclear efectiva sobre electrones de la misma capa y disminuye el radio, así que el electrón externo está más atraído y cuesta más arrancarlo. Además, al sodio le basta perder un electrón para quedarse con configuración de gas noble.

EI_1(\text{D} = \text{Cl}) > EI_1(\text{B} = \text{Na})

(Valores reales:

1251\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

para el cloro y

496\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

para el sodio.)

d) Compuestos $\text{D}_2$ y $\text{BD}$ .

Los dos son posibles:

$\text{D}_2$ es $\text{Cl}_2$ (cloro). Dos átomos iguales de un no metal comparten un par de electrones y cada uno completa el octeto: enlace covalente (apolar, pues la diferencia de electronegatividad es cero).
$\text{BD}$ es $\text{NaCl}$ (cloruro de sodio). El sodio, metal muy poco electronegativo, cede su electrón $3s$ al cloro, muy electronegativo; se forman $\text{Na}^+$ y $\text{Cl}^-$ , que se atraen electrostáticamente en una red cristalina: enlace iónico.

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

Consejo

Para detectar un estado excitado, cuenta los electrones y vuelve a escribir la configuración llenando en el orden de Madelung: si no coincide con la del enunciado, es excitada. El fallo típico es olvidar que el $4s$ se llena antes que el $3d$ (y el $5s$ antes que el $4d$ ).

En d) no basta con decir «iónico» o «covalente»: justifícalo con la naturaleza de los átomos (metal y no metal, o dos no metales iguales).