Estructura electrónica de los átomos

La tabla periódica, surgió en buena medida como resultado de observaciones experimentales. Los elementos que exhibían propiedades similares se colocaron en la misma columna de la tabla. Pero, ¿cuáles son las razones fundamentales para estas similitudes? ¿Por qué, por ejemplo, el sodio y el potasio son ambos metales blandos y reactivos? ¿Por qué el helio y el neón son gases no reactivos? ¿Por qué todos los halógenos reaccionan con hidrógeno para formar compuestos que contienen un átomo de hidrógeno y uno de halógeno?

Cuando los átomos reaccionan, son los electrones los que interactúan. Por tanto, la clave para contestar las preguntas como las que acabamos de hacer radica en comprender mejor el comportamiento de los electrones en los átomos. La disposición de los electrones en un átomo se denomina la estructura electrónica de ese átomo. Dicha estructura no sólo se refiere al número de electrones que posee un átomo, sino también a su distribución alrededor del átomo y a sus energías. Como veremos, los electrones no se comportan como ninguna otra cosa con la que estemos familiarizados en el mundo macroscópico. Nuestro conocimiento de la estructura electrónica es el resultado de uno de los principales avances de la ciencia en el siglo XX, la teoría cuántica. En este capítulo describiremos el desarrollo de la teoría cuántica y cómo dio origen a una descripción coherente de las estructuras electrónicas de los elementos. Exploraremos algunas de las herramientas que se usan en la mecánica cuántica, la nueva física que tuvo que desarrollarse para describir correctamente los átomos. En los capítulos siguientes veremos cómo pueden usarse estos conceptos para explicar tendencias en la tabla periódica y entender la formación de enlaces entre los átomos.

1. Disponga los tipos de radiación electromagnética siguientes en orden de longitud de onda creciente:

(i) los rayos gamma producidos por un núclido radiactivo y que se utilizan para formar imágenes en medicina

(ii) la radiación de una estación de radio de FM a 93.1 MHz en el cuadrante(iii) una señal de radio de una estación de radio de AM a 680 kHz en el

cuadrante(iv) la luz amarilla de las lámparas de alumbrado público de vapor de sodio(v) la luz roja de un diodo emisor de luz, como en una pantalla de

calculadoraa) i < ii <iii <iv < v

b) i < iv < v < ii < iii

c) i < v <iv <ii <iii

d) i < iv < v <iii <ii

e) iii < ii <v <iv <i

2. ¿Cuál es la frecuencia de una radiación cuya longitud de onda es de 0.589 pm?a) 1.96 x 10-21 s-1

b) 5.09 s-1

c) 5.09 x 108 s-1

d) 5.09 x 10 20 s -1 e) 5.09 x 1022 s-1 = 785 nm.

3. ¿Cuál es la longitud de onda de una radiación cuya frecuencia es de 5.11 x 1011 s-1?a) 5.87 x 10-12 mb) 5.87 x 10-4 cmc) 5.87 x 10 -4 m d) 5.87 x 10-2 me) 1.70 x 103 m

4. Calcule la energía de un fotón con una frecuencia de 2.85 x 1012 s-1.a) 2.32 x 10-46 Jb) 6.97 x 10-38 Jc) 1.89 x 10 -21 J d) 4.30 x 1045 J

5. Se activa un láser de diodos con una longitud de onda de 785 nm durante un periodo de 1.00 min. Durante ese tiempo el láser emite una señal con una energía total de 31.0 J. ¿Cuántos fotones se emitieron?

a) 2.53 x 10-19

b) 31.0c) 1.22 x 10 20 d) 5.96 x 1040

6. La energía de una radiación puede servir para originar la ruptura de enlaces químicos. Se necesita una energía mínima de 495 kJ/mol para romper el enlace oxígeno-oxígeno del O2. ¿Cuál es la longitud de onda más larga de la radiación que posee la energía necesaria para romper el enlace?

a) 4.02 x 10-31 mb) 4.02 x 10-28 mc) 8.07 x 10-16 md) 2.42 x 10 -7 m e) 2.42 x 10-4 mf) 7.47 x 1038 m

7. Se necesitan 222 kJ/mol para expulsar electrones del potasio metálico. Si se irradia potasio con luz de 250 nm, ¿cuál es la energía cinética máxima posible de los electrones emitidos?

a) 4.26 x 10-19 Jb) 3.69 x 10-19 Jc) 7.95 x 10-19 J

8. ¿Se emite o se absorbe energía cuando se produce la transición electrónica de n = 3 a n = 6 en el hidrógeno?

a) se emiteb) se absorbe

9. Calcule la energía necesaria para la transición electrónica de n = 3 a n = 8 en el átomo de hidrógeno.

a) 3.41 x 10-20 Jb) 2.08 x 10 -19 J c) 2.42 x 10-19 Jd) 1.05 x 10-16 J

10. La difracción de neutrones es una técnica importante para determinar la estructura de las moléculas. Calcule la velocidad de un neutrón que tiene una longitud de onda característica de 0.88 Å.

a) 4.3 x 10-17 m s-1

b) 2.2 x 10-4 m s-1

c) 4.5 x 10 3 m s -1 d) 4.5 x 1013 m s-1

11. Para n = 4, ¿cuáles son los valores posibles de l?a) 3, 2, 1b) 4, 3, 2, 1c) 3, 2, 1, 0 d) 4, 3, 2, 1, 0e) 5, 4, 3, 2, 1, 0

12. Para l = 2, ¿cuáles son los valores posibles de ml?a) 2b) 1, 0c) 1, 0, -1d) 2, 1, 0e) 2, 1, 0, -1, -2

13. Indique los valores de n, l y ml de cada orbital de la subcapa 2p .a) n = 2, l = 2, ml = 2, 1, 0, -1, -2b) n = 2, l = 1, m l = 1, 0, -1 c) n = 2, l = 0, ml = 0d) n = 2, l = 1, ml = 0

14. En el átomo de hidrógeno, ¿qué tiene más energía: el orbital 2s, el 3s o 2p?a) 2sb) 3s c) 2p

15. Explique por qué la carga nuclear efectiva que experimenta un electrón 2p del flúor es más grande que la que experimenta un electrón 2p del boro.

a) Tienen diferentes números cuánticos principales.b) La carga nuclear del F es mayor que la del B .c) El número promedio de electrones entre un electrón 2p y el núcleo es mayor

en el B que en el F.16. ¿Cuál es el número máximo de electrones que pueden ocupar la subcapa 3d?

a) 1b) 2c) 3d) 5e) 10

17. la configuración electrónica del átomo Rb, utilizando el centro interior de gas noble apropiado para abreviar.

a) [Ne]5s1

b) [Kr]5s1

c) [Ar]5s 1 d) [Ne]4s1

e) [Ar]4s1

f) [Kr]4s1

18. Escriba la configuración electrónica del átomo Zn, utilizando el centro interior de gas noble apropiado para abreviar.

a) [Ar]4s 2 3d 10 b) [Ar]4s24d10

c) [Ar]4s13d10

d) [Kr]4s23d10

e) [Kr]4s24d10

19. Identifique el elemento específico que corresponde a la configuración electrónica siguiente: [Ne]3s23p1

a) Bb) Cc) Al d) Sie) Ga

20. Identifique el elemento específico que corresponde a la configuración electrónica siguiente: [Kr]5s24d105p4

a) Inb) Snc) Sbd) Te e) I

21. Disponga los tipos de radiación electromagnética siguiente en orden de frecuencia decreciente:

(i) rayos X que se utilizan con fines médicos(ii) infrarroja de una lámpara de calentamiento(iii) la señal de TV del Canal 12(iv) luz amarilla de un semáforo(v) luz ultravioleta que causa quemaduras de sola) i > ii >iii >iv > v

b) i > v > iv > ii > iii

c) iii > ii >iv > v > i

d) i > ii >iii > v > iv

e) i > iii >ii >iv > v

22. ¿Cuál unidad de longitud de onda no se utiliza comúnmente para la radiación correspondiente?

a) angstrom -- rayos Xb) centímetro – microondasc) metros -- TV, radiod) mm -- UV, visible

23. ¿Cuál es la frecuencia de una radiación que tiene una longitud de onda de 1.15 angstroms?

a) 3.45 x 102 s-1

b) 2.61 x 1016 s-1

c) 2.90 x 101 s-1

d) 2.61 x 10 18 s -1 e) 3.83 x 10-19 s-1

24. ¿Cuál es la longitud de onda de la luz que tiene una energía fotónica de 2.15 x 10-20

J?a) 3.24 x 1013 mb) 9.24 x 10 -6 m c) 4.27 x 10-45 md) 1.50 x 10-10 m

25. ¿Cuántos fotones con una frecuencia de 1.50 x 1014 se necesitan para proporcionar 30.1 J de energía?

a) 9.94 x 10-20 fotonesb) 1.01 x 1019 fotonesc) 3.03 x 10 20 fotones d) 9.94 x 1020 fotonese) 0.450 fotones

26. Se puede utilizar la energía de una radiación del tipo apropiado para hacer que los enlaces de una molécula vibren más aprisa. La luz con una longitud de onda de 3.34 x 10-6 m puede excitar los enlaces del HCl. ¿Cuál es la energía de un fotón que tiene esta longitud de onda?

a) 2.21 x 10-39 Jb) 1.98 x 10-28 Jc) 5.94 x 10 -20 J d) 1.68 x 1019 Je) 3.58 x 104 J

27. Se necesitan 222 kJ/mol para expulsar electrones del potasio metálico. ¿Cuál es la frecuencia más baja de la luz que se necesita para expulsar un electrón del metal?

a) 9.18 x 10-10 s-1

b) 5.53 x 10 14 s -1 c) 3.38 x 1038 s-1

d) 5.42 x 10-7 s-1

e) 4.52 x 108 s-1

28. En la teoría de Bohr, ¿cuál de las emisiones siguientes tiene la energía más grande?a) n = 2 pasa a n = 3b) n = 3 pasa a n = 2c) n = 4 pasa a n = 2 d) n = 4 pasa a n = 3e) n = 5 pasa a n = 4

29. ¿Cuál de las órbitas de Bohr siguientes tiene la menor energía?a) n = 2 b) n = 3c) n = 4d) n = 5e) n = 6

30. ¿Cuál de las partículas siguientes que se desplazan a 1.00 x 104 m/s tiene la longitud de onda de de Broglie más grande?

a) núcleo de helio(24He2+)b) protónc) neutrónd) electrón

31. Para n = 4, ¿cuántos valores de l son posibles?a) 1b) 2c) 3d) 4 e) 5

32. ¿Cuántos valores de ml diferentes son posibles para l= 3, un orbital f?a) 7 b) 5c) 3d) 2e) 1

33. ¿Cuáles valores de n, l y ml son posibles para un orbital 4 d?a) n = 4, l = 4, ml = 2b) n = 3, l = 1, ml = 0c) n = 4, l = 2, ml = 4d) n = 4, l = 2, m l = 2e) n = 4, l = 3, ml = 2

34. En el átomo de hidrógeno, ¿cuál de los orbitales siguientes tiene la menor energía?a) 5sb) 3 p c) 3dd) 6de) 4p

35. ¿Por qué aumenta la carga nuclear efectiva a lo ancho de una fila de la tabla periódica?

a) los electrones de valencia no escudan de manera eficaz y la carga nuclear aumenta

b) el efecto de pantalla es mayor al avanzar a lo ancho de una fila de la tabla periódica

c) la carga nuclear aumenta, pero los electrones de valencia cancelan la mayor parte del efecto

d) el número de electrones de valencia aumenta a lo ancho de una fila de la tabla periódica

e) los electrones p son más eficaces como pantalla a medida que se agregan más electrones

36. ¿Cuántos electrones pueden ocupar la subcapa 5f?a) 10b) 12c) 14 d) 8e) 6

37. ¿Cuál de las configuraciones electrónicas siguientes es incorrecta?

a) [Ne] 3s2 - - Mg

b) [Ne] 3s2 3p3 - - Pc) [Ne] 3s2 3p5 - - Cld) 1s 2 2s 2 2p 4 - - N e) 1s2 2s2 2p1 - - B

38. ¿Cuál de las configuraciones electrónicas siguientes es incorrecta?a) [Ar] 4s2 3d2 - - Tib) [Ar] 4s2 3d10 4p2 - - Gec) [Kr] 6s 2 - - Sr d) [Ar] 4s1 - - Ke) [Ar] 4s2 3d10 4p1 -- Ga

39. Identifique el elemento específico que corresponde a la configuración electrónica siguiente: [Ar]4s23d104p4

a) Seb) Sc) Ge d) Cre) Br

40. Identifique el elemento específico que corresponde a la configuración electrónica siguiente: [Kr]5s24d105p1

a) Yb) In c) Sbd) Gae) Al

41. De las regiones del espectro electromagnético siguientes, ¿cuál tiene la longitud de onda más corta?

a) rayos gamma b) rayos Xc) ultravioletad) ondas de radioe) microondasf) infrarrojo

42. De las longitudes de onda siguientes (en nm) ¿cuál es la que corresponde a la radiación electromagnética de mayor energía?

a) 597b) 233 c) 623d) 486e) 617

43. ¿Cuál es la energía en J de un fotón de radiación electromagnética que tiene una longitud de onda de 9.0 m (c = 3.00 x 108 m/s, h = 6.63 x 10-34 J·s)?

a) 2.2 x 10 -26 b) 2.7 x 109

c) 6.0 x 10-23

d) 4.5 x 1025

44. Un átomo en el estado basal

a) no absorbe radiación electromagnética cualquiera que sea su longitud de onda

b) tiene todos sus electrones en la órbita n = 1c) tiene todos sus electrones en las órbitas de más baja energía posibles d) está finamente dividido

45. ¿Cuál de las transiciones siguientes en el modelo del átomo de hidrógeno de Bohr origina la emisión del fotón de mayor energía?

a) n i = 6 n f = 1b) ni = 1 nf = 6c) ni = 3 nf = 6d) ni = 6 nf = 3e) ni = 4 nf = 1

46. Calcule el cambio de energía que acompañaría a una transición electrónica en un átomo de hidrógeno de n = 2 a n = 3 (En = -2.18 x 10-18/n2 J).

a) 4.22 x 10-19

b) 3.03 x 10 -19 c) -3.03 x 10-19

d) -7.91 x 10-19

47. La longitud de onda de de Broglie de un electrón es de 8.7 x 10 -11 m. La masa de este electrón es de 9.1 x 10-31 kg. ¿Cuál es la velocidad de este electrón en m/s (h = 6.63 x 10-34 J·s)?

a) 1.2 x 10-7

b) 8.4 x 10-3

c) 6.9 x 10-54

d) 8.4 x 10 6 48. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg establece que es imposible conocer

con precisión tanto la posición como ________ de un electrón de un átomo.a) el momento b) el colorc) la masad) la forma

49. ¿Cuál número cuántico define la forma de un orbital?a) de espínb) magnéticoc) principald) azimutal

50. ¿Cuál de las subcapas siguientes contiene un solo orbital?a) 3db) 4 s c) 5dd) 6f

51. ¿Cuál conjunto de números cuánticos no puede ser correcto?a) n = 6, l = 0, ml = 0b) n = 3, l = 2, m l = 3c) n = 1, l = 0, ml = 0

d) n = 3, l = 2, ml = -252. ¿Cuál de las subcapas siguientes experimenta la carga nuclear efectiva más grande

en un átomo de muchos electrones?a) 4 s b) 4dc) 4fd) 4p

53. ¿Cuál de los orbitales siguientes es degenerado con (tiene la misma energía que) el 5py en un átomo de muchos electrones?

a) 5dxy

b) 5sc) 4py

d) 5 p x

54. ¿Cuál de los siguientes representa un conjunto de números cuánticos incorrecto para un electrón de un átomo (en el orden n, l, ml y ms)?

a) 5, 4, -3, ½b) 1, 0, 0, ½c) 3, 3, 3, ½ d) 2, 1, -1, -½

55. ¿Cuál de los elementos siguientes tiene uno o más electrones no apareados en el estado basal?

a) mercuriob) neónc) cadmiod) circonio e) calcio

56. ¿Cuántos electrones ocupan la segunda capa electrónica (completa) en el estado basal del argón atómico?

a) 18b) 2c) 36d) 6e) 8

57. ¿Cuál de los elementos siguientes tiene la configuración electrónica de estado basal [Kr]5s14d5?

a) Mnb) Mo c) Nbd) Cr

58. En el caso del átomo de 25Mn ¿cuál subcapa está parcialmente ocupada?a) 3sb) 4dc) 4pd) 3 d e) 4s

59. ¿Cuántos minutos le toma a la luz del Sol llegar a la Tierra, que está a una distancia de 93 millones de millas (1 km = 0.62 milla)?

a) 0.38b) 500c) 0.14d) 93e) 8.3

60. Calcule la longitud de onda en nm de un rayo X cuya frecuencia es de 3.22 x 10 16

s-1.a) 9.32 b) 10.7c) 1.07d) 3.22 x 107

e) 93261. Calcule la frecuencia en s-1 de una radiación ultravioleta que tiene una longitud de

onda de 248 nm.a) 1.21 x 10 15 b) 8.27 x 1015

c) 121d) 248e) 82.7

62. Calcule la longitud de onda en µm de un fotón de radiación IR cuya frecuencia es de 2.50 x 1013 s-1.

a) 1200b) 1.2c) 83.0d) 12.0 e) 120

63. ¿Cuál de los tipos de radiación electromagnética siguientes tiene la longitud de onda más corta?

a) rayos X b) UVc) IRd) visiblee) microondas

64. Calcule la frecuencia en hertz de una onda de radar cuya longitud de onda es de 125 mm.

a) 2.40 x 1024

b) 240c) 2.40 x 10 9 d) 2.40 x 106

e) 12565. Un rayo X tiene una longitud de onda de 1.2 Å. Calcule la energía en J de un fotón

de esta radiación (1Å = 10-10 m).a) 1.7 x 10-5

b) 1.7 x 10-20

c) 1.2 x 10-10

d) 1.7 x 10 -15 e) 1.2

66. Calcule la energía en J de un fotón de luz roja que tiene una frecuencia de 4.35 x 1014 s-1.

a) 6.90 x 10-7

b) 1.45 x 10-10

c) 1.04 x 1027

d) 4.35 x 1014

e) 2.88 x 10 -19 67. Calcule la longitud de onda en m de la radiación de microondas que corresponde a

una energía de 2.63 J/mol de fotones.a) 1.14 x 108

b) 2.63c) 4.55 x 10 -2 d) 1.35 x 107

e) 3.90 x 1033

68. La ecuación de Bohr del átomo de hidrógeno es En = -2.18 x 10-18 J/n2. Calcule el cambio de energía (en J) que se produce cuando un electrón se eleva del nivel energético n = 3 al nivel n = 5 de un átomo de hidrógeno.

a) -1.55b) 1.55 x 10 -19 c) 2.42 x 10-19

d) -2.42e) 0.872

69. La ecuación de Bohr del átomo de hidrógeno es En = -2.18 x 10-18 J/n2. Calcule la frecuencia (en s-1) de la radiación que se emite cuando un electrón cae del nivel energético n = 4 a nivel n = 2 de un átomo de hidrógeno.

a) 7.33 x 107

b) 4.09 x 10-19

c) 6.17 x 10 14 d) 486.1e) 1.36 x 10-19

70. La ecuación de Bohr del átomo de hidrógeno es En = -2.18 x 10-18 J/n2. ¿Cuál es la energía (en J) del estado excitado más bajo?

a) 5.45 x 10 -19 b) 2.18 x 10-18

c) 1.66 x 10-18

d) 2.42 x 10-19

e) 2.18 x 10-19

71. ¿Cuál de los conjuntos siguientes no es un conjunto de números cuánticos aceptable?

a) n = 3, l = 1, m l = -3b) n = 1, l = 0, ml = 0c) n = 7, l = 3, ml = +3d) n = 2, 1 = 1, ml = -1e) n = 2, l = 1, ml = +1

72. ¿Cuántos orbitales hay en la subcapa 4p?

a) 4b) 1c) 5d) 2e) 3

73. ¿Cuál de los siguientes es un conjunto de números cuánticos posible para un electrón 3d?

a) 4, 3, 2, -1/2b) 3, 0, 0, +1/2c) 3, 3, 2, +1/2d) 3, 1, 1, +1/2e) 3, 2, 0, -1/2

74. ¿Cuál de los siguientes es un conjunto de números cuánticos posible para un electrón 4f?

a) 4, 3, 3, +1/2 b) 3, 4, 3, +1/2c) 4, 2, 2, +1/2d) 4, 2, 1, -1/2e) 4, 3, -4, -1/2

75. La longitud de onda máxima de la luz que provoca la expulsión de un fotoelectrón en la plata metálica es de 262. ¿Cuál es la energía de umbral, o energía mínima (en J), necesaria para expulsar un electrón de la plata?

a) 8.73 x 10-16

b) 1.21 x 1015

c) 7.59 x 1019

d) 7.59 x 10 -19 e) 1.31 x 1018

76. ¿Cuál es la capa principal de número más bajo en la cual hay orbitales d?a) 3 b) 2c) 5d) 4e) 1

77. ¿Cuántas subcapas hay en un nivel energético con n = 3?a) 4b) 3 c) 2d) 1e) 5

78. ¿Cuántos fotones de luz azul con una longitud de onda de 445 nm equivalen a 1.00 J de energía?

a) 1.59 x 1033

b) 2.69 x 105

c) 1.35 x 1021

d) 4.47 x 10-19

e) 2.24 x 10 18