QuímicaFácilProblema · 2 pts

Problema resuelto de Química: Estructura atómica y números cuánticosSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2026 · Junio

También trata: Enlace químico y geometría molecular

Enunciado

Considere los elementos azufre, calcio y cobalto.

a) Escriba la configuración electrónica de los tres elementos en el estado fundamental. (0,6 puntos)

b) Escriba dos combinaciones posibles de los cuatro números cuánticos para un electrón del nivel

3d

del átomo de cobalto. (0,4 puntos)

Conteste a una de las siguientes cuestiones:

c1) Aplicando la regla del octeto, deduzca cuál es la fórmula empírica del compuesto formado por azufre y calcio. Razone qué tipo de enlace se establece en este compuesto. (1 punto)

c2) A partir de las estructuras de Lewis, razone cuál será la geometría de las moléculas de diclorodifluorometano,

\text{CF}_2\text{Cl}_2

, y tricloruro de arsénico,

\text{AsCl}_3

. Discuta su polaridad. (1 punto)

Datos (de la tabla periódica del examen): Z: C = 6, F = 9, S = 16, Cl = 17, Ca = 20, Co = 27, As = 33.

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Resultado

a) S:

[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^4

; Ca:

[\text{Ar}]\,4s^2

; Co:

[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^7

.

b) Por ejemplo

(3, 2, -2, +\tfrac12)

(3, 2, 0, -\tfrac12)

.

c1)

\text{CaS}

(sulfuro de calcio), formado por iones

\text{Ca}^{2+}

\text{S}^{2-}

: enlace iónico.

c2)

\text{CF}_2\text{Cl}_2

: tetraédrica (distorsionada) y polar.

\text{AsCl}_3

\text{AX}_3\text{E}

, pirámide trigonal y polar.

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Las configuraciones salen del orden de llenado (diagrama de Moeller:

1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\ldots

) con el número atómico de cada elemento. El cobalto es un metal de transición: después del

4s^2

empieza a llenar el

3d

.

Para un electrón

3d

, el

3

n

y la

d

\ell = 2

; con eso,

m_\ell

puede ir de

-2

+2

m_s

ser

\pm\tfrac12

. Cualquier pareja de combinaciones distintas vale.

En c1) se mira cuántos electrones gana o pierde cada átomo para quedarse con configuración de gas noble: los iones que se forman y su carga dan la fórmula. En c2), Lewis da los pares alrededor del átomo central, la TRPECV la geometría, y la geometría dice si los momentos dipolares de los enlaces se anulan.

Desarrollo

a) Configuraciones electrónicas

\text{S}\ (Z = 16):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4 = [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^4

\text{Ca}\ (Z = 20):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2 = [\text{Ar}]\,4s^2

\text{Co}\ (Z = 27):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^7 = [\text{Ar}]\,4s^2\,3d^7

b) Números cuánticos de un electrón 3d

Un electrón

3d

tiene

n = 3

\ell = 2

;

m_\ell

puede valer

-2, -1, 0, +1, +2

m_s = \pm\tfrac12

(hay diez combinaciones posibles). Dos de ellas, por ejemplo:

(n, \ell, m_\ell, m_s) = \left(3, 2, -2, +\tfrac12\right) \qquad \left(3, 2, 0, -\tfrac12\right)

c1) Iones que se forman

El azufre ( $[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^4$ ) tiene 6 electrones de valencia: le faltan 2 para el octeto. Los gana y forma el anión sulfuro, $\text{S}^{2-}$ (configuración del argón).
El calcio ( $[\text{Ar}]\,4s^2$ ) es un metal del grupo 2 con baja energía de ionización: pierde sus 2 electrones $4s$ y forma el catión $\text{Ca}^{2+}$ (configuración del argón).

Fórmula empírica. Cada calcio cede dos electrones y cada azufre acepta dos: la relación es 1:1 y el compuesto es el

\text{CaS}

, sulfuro de calcio.

Tipo de enlace. Un metal que cede electrones y un no metal muy electronegativo que los capta forman iones de carga opuesta,

\text{Ca}^{2+}

\text{S}^{2-}

, que se atraen electrostáticamente en todas las direcciones formando una red cristalina: el enlace es iónico.

c2) Estructuras de Lewis

CF₂Cl₂ ( $4 + 2\cdot 7 + 2\cdot 7 = 32$ electrones de valencia): el carbono, central, forma cuatro enlaces simples (dos C–F y dos C–Cl) y no le queda ningún par solitario; cada halógeno conserva tres pares solitarios.
AsCl₃ ( $5 + 3\cdot 7 = 26$ electrones): el arsénico forma tres enlaces simples As–Cl y le queda un par solitario; cada cloro conserva tres pares solitarios.

Estructuras de Lewis: CF2Cl2 con cuatro enlaces simples y sin pares solitarios en el carbono; AsCl3 con tres enlaces simples y un par solitario en el arsénico; cada halógeno con tres pares solitarios

Geometría (TRPECV). En las dos moléculas el átomo central se rodea de cuatro pares de electrones, que se orientan hacia los vértices de un tetraedro:

$\text{CF}_2\text{Cl}_2$ , tipo $\text{AX}_4$ (en concreto $\text{AX}_2\text{Y}_2$ ): los cuatro pares son de enlace, así que la molécula es tetraédrica, algo distorsionada porque los enlaces C–Cl son más largos que los C–F.
$\text{AsCl}_3$ , tipo $\text{AX}_3\text{E}$ : tres pares de enlace y uno solitario, así que la molécula es una pirámide trigonal.

Polaridad.

En el $\text{AsCl}_3$ los tres enlaces As–Cl son polares y, en una pirámide, sus momentos dipolares no se anulan (todos apuntan hacia el lado de los cloros): molécula polar.
En el $\text{CF}_2\text{Cl}_2$ los enlaces C–F y C–Cl son polares pero de distinta intensidad (el flúor es más electronegativo que el cloro), así que, aunque la forma sea casi tetraédrica, la suma de los momentos dipolares no es cero: molécula polar.

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

Consejo

En c2) la trampa es el $\text{CF}_2\text{Cl}_2$ : es «tetraédrica» como el $\text{CCl}_4$ , pero no es apolar, porque sus enlaces no son todos iguales. Para que los momentos dipolares se anulen en un tetraedro, los cuatro átomos terminales tienen que ser el mismo.

En b) no basta con dar dos combinaciones: escribe que $n = 3$ y $\ell = 2$ vienen de « $3d$ » y qué valores puede tomar $m_\ell$ . En a) cada configuración vale 0,2 puntos: en el cobalto no te olvides del $4s^2$ antes del $3d$ .