Solución a las cuestiones y problemas de final de unidad

1. Dadas las configuraciones siguientes:

a) 1s2 2s2p6 3s2p3

b) 1s2 2s2p2

c) 1s2 2s1

d) 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f14 5s2p6d1 6s2

e) 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f 2 5s2p6 6s2

f) 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6

1) indicar si el elemento correspondiente es representativo de transicióno de transición interna; 2) decir el período al cual pertenecen; 3) de los re-presentativos, señalar qué elementos son y a qué familia pertenecen.

1) a, b y c son representativos, puesto que tienen completos los niveles inferio-res e incompletos los niveles de valencia respectivos; d, de transición, puestoque en el nivel de valencia hay dos electrones (6s 2) y tiene incompleto el sub-nivel d del penúltimo nivel (5d 1), habiendo completado los niveles inferiores;e, de transición interna, al tener incompleto el subnivel f del antepenúltimonivel (4f 2); f, gas noble, puesto que tiene completo el nivel de valencia.

2) El nivel de valencia de cada uno de ellos nos indica el periodo al que perte-necen. Así: a: 3°; b: 2°; c: 2°; d: 6°; e: 6°; f: 4°.

3) a, es el fósforo (Z =15), familia VA; b, es el carbono (Z = 6), familia IV A; c, esel litio (Z = 3), familia IA.

2. Escribir la estructura electrónica de los elementos con número atómico38, 11, 14, 35 y 54. Contestar a las siguientes cuestiones justificando cadauna de las respuestas:

a) ¿A qué grupo del sistema periódico pertenece cada elemento?

b) ¿Qué estados de oxidación serán los más frecuentes?

c) ¿Cuáles son metales y cuáles no metales?

d) ¿Cuál es el elemento más electropositivo y cuál el más electronegativo?

A (Z = 11): 1s2 2s2 p 6 3s1

B (Z = 14): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 2

C (Z = 35): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 6 d 10 4s2 p 5

D (Z = 38): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 6 d 10 4s2 p 6 5s2

E (Z = 54): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 6 d 10 4s2 p 6 d 10 5s2 p 6

a) El grupo al que pertenece cada elemento se deduce del número de electronesde su último nivel, así: A al 1 o IA; B al 14 o IVA; C al 17 o VIIA; D al 2 o IIA;E al 18 o VIIIA.

b) El estado de oxidación más frecuente en cada caso, depende de su tendenciaa ceder o ganar electrones, así: A (+1); B (+4 y –4); C (–1); D (+2); E (0).

Unidad 4. Sistema periódico.

c) Recordando que el carácter metálico viene dado por su mayor o menor ten-dencia a ceder electrones, A y D serán metales, y B y C serán no metales, entanto que E al ser un gas noble no manifiesta carácter metálico ni no metálico.

d) La electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en un período y deabajo hacia arriba en un grupo, por tanto el orden será:

A < D < B < C

No se incluye el elemento E porque al ser un gas noble no se combina conotros elementos salvo en condiciones muy extremas.

3. Se dispone de información acerca de los tres elementos siguientes: el ele-mento A se encuentra en el 5.° período y grupo II de los elementos repre-sentativos. El elemento B presenta la configuración electrónica del gas no-ble del 3er período cuando se encuentra en forma de anión divalente. Elelemento C tiene en su núcleo 49 protones.

a) Escribir las configuraciones electrónicas fundamentales de los elemen-tos B y C, indicando grupo, subgrupo y período en el que se hallan.

b) Indicar cuál de ellos tiene mayor carácter no metálico y ordenarlos enorden decreciente de su primer potencial de ionización.

Elemento A: Por lo dicho en el enunciado, se trata de un metal alcalinotérreo(grupo II) del 5.° período.

Elemento B: Como B2– presenta la configuración electrónica del gas noble del 3er

período, B es un elemento anfígeno (familia del grupo VIA) de dicho período.

Elemento C: Al tener en su núcleo 49 protones, Z = 49.

a) Las configuraciones electrónicas B y C son:

B: 1s2 2s2 p 6 3s2 p4.

C (Z = 49): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 6 d 10 4s2 p 6 d 10 5s2 p1

Como ya se ha dicho, B es un elemento de la familia del oxígeno del 3er

período. El elemento C pertenece a la familia del boro (p1) y se sitúa en el 5°período (nivel más externo, el 5°).

b) Recordando que en el sistema periódico el carácter no metálico aumenta haciala derecha y hacia arriba, es indudable que B será el elemento más no metáli-co de los tres.

En cuanto a la 1ª energía de ionización, la más baja corresponderá al elemen-to A, metal alcalinotérreo, con dos electrones en el último nivel, que es el 5°,con lo cual estarán muy poco atraídos por el núcleo.

La más elevada corresponderá al elemento B, no metal, cuyos electrones másexternos están sólo en el 3er nivel y le faltan dos para completar su octete. En-tonces:

Ei (B) > Ei (C) > Ei (A)

4. ¿Por qué el número de elementos del quinto período es 18?

Porque el electrón diferencial entra en orbitales 5s, 5p o 4d, y en total son 2 + 6 +10 = 18 lugares disponibles.

Unidad 4. Sistema periódico.

5. a) Razonar si es correcta la siguiente afirmación: “En cualquier átomo, ensu estado fundamental, el electrón diferencial está en la capa más ex-terna”.

b) El electrón diferencial de un elemento del sistema periódico, en su es-tado fundamental, tiene como números cuánticos: (4, 2, 2, 1/2). Indicar,razonadamente, entre qué valores estará comprendido el número ató-mico de este elemento.

a) Falsa. En el caso de los elementos de transición ocupa el penúltimo nivel, yen los de transición interna, el antepenúltimo.

b) El primer número cuántico nos indica que el electrón diferencial está en el ni-vel (capa) cuarto. El segundo número nos indica que es un orbital d (l = 2).Así pues, se trata de un elemento de transición situado en el período quinto ysu número atómico estará comprendido entre el del ytrio (Z = 39) y el delcadmio (Z = 48).

6. Dados los elementos flúor, cloro, potasio y sodio, escribe su configuraciónelectrónica y ordénalos de forma creciente según:

a) Su radio atómico.

b) Su primera energía de ionización.

c) Su electronegatividad.

F (Z = 9): 1s2 2s2 p 5

Cl (Z = 17): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 5

Na (Z = 11): 1s2 2s2 p 6 3s1

K (Z = 19): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 6 4s1

a) F < Cl < Na < K

b) K < Na < Cl < F

c) K < Na < Cl < F

Ver la justificación a estas respuestas en el apartado 4.3 del texto.

7. Los elementos siguientes (cuyo número másico se indica junto con el sím-bolo), Te (130), Xe (132), Cs (133) y Ba (134), poseen una característica co-mún a todos ellos. Indicar de forma razonada, cuál de las siguientes pro-puestas es la verdadera:

a) Pertenecen todos al mismo período.

b) Los núcleos de los cuatro elementos contienen todos el mismo númerode neutrones.

c) Los cuatro elementos son isótopos entre sí.

d) El estado de oxidación más probable de los cuatro elementos es +2.

Los elementos Te, Xe, Cs y Ba son todos ellos elementos representativos.

a) El Te es un anfígeno (familia del O), el Xe es un gas noble, el Cs es un metalalcalino y el Ba un metal alcalinotérreo. Su número másico parecido indicaque los cuatro elementos son consecutivos en el sistema periódico. Por tanto,Te y Xe pertenecerían a un período, y Cs y Ba abrirían el período siguiente.

Unidad 4. Sistema periódico.

b) Los núcleos de los cuatro elementos contienen todos el mismo número de neu-trones, puesto que el número másico (Te-130, Xe-132, Cs-133, Ba-134) aumentaconforme seva incrementando elnúmerode protones(2 másel Xeque el Te, etc.).

c) Los cuatro átomos citados no son isótopos entre sí, ya que pertenecen a cua-tro elementos diferentes y, por ello, poseen distinto número de protones. (Re-cuérdese que isótopos son átomos que poseen el mismo número de protonespero distinto número de neutrones).

d) Según las familias a las que pertenece cada uno, los estados de oxidación másprobables son:

Te: –2; Xe: 0; Cs: +1; Ba: +2.

8. Se sabe que el potencial de ionización del Na es menor que el del Cl. Clasi-ficar razonadamente los dos elementos, uno como oxidante y el otro co-mo reductor.

El sodio, al tener un potencial de ionización menor que el cloro, pierde sus elec-trones con más facilidad. Es decir: el sodio es un reductor, y el cloro, un oxidante.

(Nota: El razonamiento es válido en este caso, pero conviene advertir que el poten-cial de ionización no es el único factor que permite justificar el poder oxidante oreductor de un elemento).

9. Ordenar los siguientes átomos e iones según el orden creciente de sus ta-maños: Ar, S2-, K+, Cl-, Li+.

Li+ < K+ < Ar < Cl– < S2–, ya que los cuatro últimos son isoelectrónicos y la carganuclear disminuye del K+ al S2–.

10. La tabla adjunta da las energías de ionización (eV) del litio, el sodio y elpotasio:

a) ¿Por qué la primera energía de ionización disminuye del Li al K?

b) ¿Por qué la segunda energía de ionización de cada elemento es muchomayor que la primera?

c) ¿Por qué no se da el valor de la cuarta energía de ionización del Li?

a) El electrón exterior está más lejos del núcleo y además es repelido por loselectrones interiores.

b) El segundo electrón se arranca de un ión positivo y además de un nivel infe-rior completo.

c) Porque sólo tiene tres electrones.

Unidad 4. Sistema periódico.

Li

Na

K

1ª

5,4

5,1

4,3

75,6

47,3

31,8

122,5

71,9

46,1

—

99,1

61,1

2ª 3ª 4ª

11. Sabiendo que el número atómico del nitrógeno es 7, escribir la configura-ción electrónica externa del arsénico.

4s 2p 3.

12. ¿Por qué el número de elementos de cada serie de transición interna esde 14? ¿A qué es debido que sus propiedades químicas sean prácticamen-te iguales?

Porque el electrón diferencial entra en orbitales f, y en ellos caben 14 electrones.

Todos ellos tienen el último y el penúltimo nivel idénticos y, como sabemos, laspropiedades químicas dependen, casi exclusivamente, del número de electronesde último nivel.

13. ¿A qué elementos pertenecen las configuraciones electrónicas siguientes?

a) 1s2 2s2 d) 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p3

b) 1s2 e) 1s2 2s2p6

c) 1s2 2s2p4 f) 1s2 2s2p6 3s2 4s1

a) Be.

b) He.

c) O.

d) As.

e) Ne.

f) Al (excitado).

14. Se tiene un elemento de Z = 20. Explicar de manera razonada:

a) Su configuración electrónica, su nombre y el tipo de elemento que es.

b) Su situación en el sistema periódico.

c) Valencias más probables que puede presentar.

d) Números cuánticos de su electrón diferencial.

a), b) Recordando el orden creciente de energía de los orbitales (ver unidad 3,fig. 16), la configuración electrónica del elemento de Z = 20 es:

(Z = 20): 1s2 2s2p 6 3s2p 6 4s2

Dada su configuración electrónica más externa, se trata de un metal alcalino-térreo (s2 y los orbitales d del penúltimo nivel, vacíos) perteneciente al 4°periodo (4s2).

Así pues, será el tercer elemento de la familia de los alcalinotérreos, es decir,el calcio, ca.

Otro elemento de su mismo grupo es, por ejemplo, el primero de la serie: elberilio, Be.

c) La única forma que tiene el Ca de reaccionar es cediendo los dos electronesde valencia y convirtiéndose en su ión, Ca2+. Por ello presentará una electro-valencia de +2.

Unidad 4. Sistema periódico.

d) Teniendo en cuenta que el electrón diferenciador está en el 4° nivel (n = 4)y en un orbital s (l = 0), sus números cuánticos serán:

n = 4, l = 0, ml = 0, ms = +1/2.

(Otra posibilidad sería con ms = –1/2).

15. El número de electrones de los elementos A, B, C, D y E es, respectiva-mente, 2, 11, 9, 12 y 13. Señalar cuál de ellos:

a) Corresponde a un gas noble.

b) Es el más electronegativo.

c) Es un metal alcalino.

d) Presenta valencia 3.

e) Puede formar un nitrato cuya fórmula es X(NO3)2.

a) A.

b) C.

c) B.

d) E.

e) D.

16. Ordenar los siguientes elementos según el orden creciente de sus energíasde ionización (primera): F, Na, Cs, Ne.

Cs < Na < F < Ne.

17. Considerando los elementos Br, Se y Te, señalar razonadamente cuál deellos tiene:

a) Mayor electronegatividad.

b) Mayor energía de ionización.

c) Afinidad electrónica menor.

a) Br.

b) Br.

c) Te.

18. Los metales del grupo IIA se combinan con los halógenos formando sa-les. Escribir la ecuación general para estas reacciones, representando losmetales por M, y los halógenos, por X.

M + X2 → MX2.

19. El número de protones en los núcleos de 5 elementos es el siguiente:

V = 9; W = 16; X = 17; Y = 19; Z = 20

Cuál de ellos es:

a) Un metal alcalino.

b) El más electronegativo.

Unidad 4. Sistema periódico.

c) El de menor potencial de ionización.

d) El de valencia iónica –2.

Teniendo en cuenta el orden creciente de energía de los orbitales (ver u. 3, fig. 16),tendremos:

V (Z = 9): 1s2 2s2 p5

W (Z = 16): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 4

X (Z = 17): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 5

Y (Z = 19): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 6 4s1

Z (Z = 20): 1s2 2s2 p 6 3s2 p 6 4s2

Se trata de flúor, azufre, cloro, potasio y calcio, respectivamente:

a) Un metal alcalino tiene de configuración electrónica de la última capa ns1; elúnico elemento con dicha configuración es el Y (el potasio).

b) Recordando el concepto de electronegatividad y su variación en el SistemaPeriódico (aumenta hacia arriba y hacia la derecha), el elemento más electro-negativo sería el V (el flúor).

c) El elemento de menor potencial de ionización suele coincidir con el menoselectronegativo, que, teniendo en cuenta lo dicho en el apartado anterior, se-ría el Y.

d) Un elemento de valencia iónica –2, ha de ganar 2 e– para así alcanzar confi-guración electrónica de gas noble. El único elemento que tiene esta circuns-tancia es el W (el azufre).

20. Los átomos de un elemento del 5° periodo del sistema periódico, en suestado fundamental:

a) ¿Tienen orbitales “f”?

b) ¿Tienen electrones en esos orbitales?

Razónense las repuestas.

a) En cierto modo puede decirse que cualquier átomo posee orbitales f aunqueestos se encuentren desocupados. Así, el mismo átomo de hidrógeno quetiene un solo electrón y que, en su estado fundamental, se encuentra en elorbital 1s posee orbitales f, que se hacen efectivos cuando dicho electrón,excitado, ocupa alguno de ellos.

b) Los elementos del 5° periodo, aun poseyendo orbitales f, no tienen electro-nes en dichos orbitales. En efecto, los orbitales de valencia 5s y 5p, queabren y cierran el 5° periodo, están energéticamente por debajo de los 4f.

Los orbitales 4f se completan por los elementos del 6° periodo, dando lugara la 1ª serie de elementos de transición interna.

21. Considerar el elemento cuya configuración electrónica es la siguiente:

1s2 2s22p6 3s23p4

a) ¿De qué elemento se trata?

b) ¿Cuál es su situación en el sistema periódico?

Unidad 4. Sistema periódico.

c) ¿Con qué valencia o valencias puede actuar?

a) y b) Si el elemento tiene como configuración electrónica:

1s2 2s2 p 6 3s2 p 4

entonces dicho elemento es un anfígeno (grupo del O), por tener configura-ción externa s2 p 4. (Pertenece al 3er período, por ser el 3° su nivel de valen-cia). Así pues, será el segundo elemento de la familia del O, esto es, el azu-fre, S.

c) Como en el 3er nivel aparecen ya los orbitales 3d a unas energías no muyalejadas de los 3s y 3p, pueden promocionarse electrones a estos orbitales3d, con lo que el número de electrones desapareados, y con ello la covalen-cia, puede ser 2, 4 y 6.

3s 3p 3d

↑↓ ↑↓ ↑ ↑

↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

Por otra parte, el átomo de S puede captar dos electrones para adquirir con-figuración de gas noble, con lo cual la electrovalencia del S es –2.

Unidad 4. Sistema periódico.

cov. = 2

cov. = 4

cov. = 6