Ejercicios: Estabilidad de átomos e iones

En la naturaleza apenas se encuentran átomos aislados: salvo los gases nobles, los elementos se presentan formando compuestos o metales.

1. a) Explicá qué significa que un átomo sea «estable» y qué ganan los átomos al enlazarse unos con otros.
2. b) ¿Qué ocurre con la energía del conjunto cuando los átomos forman un enlace? ¿Aumenta o disminuye?

La regla del octeto guía la química de la mayoría de los elementos.

1. a) Enunciala con tus palabras.
2. b) ¿A qué electrones del átomo se refiere?
3. c) ¿Qué configuración alcanzan los átomos cuando la cumplen? Poné un ejemplo de elemento que ya la posea de forma natural.

El neón ($Z = 10$) se usa en los letreros luminosos porque es un gas completamente inerte: no reacciona con nada.

1. a) Escribí su configuración electrónica.
2. b) ¿Cuántos electrones tiene en su última capa?
3. c) Explicá, a partir de esa configuración, por qué los gases nobles no forman compuestos en condiciones normales.

Un elemento tiene la configuración electrónica $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^4$.

1. a) ¿Cuál es su número atómico y de qué elemento se trata?
2. b) ¿Cuántos electrones de valencia tiene?
3. c) ¿Cuántos electrones le faltan para completar el octeto?

Cuando el sodio se combina con el cloro, cada átomo de sodio cede un electrón y se convierte en el ion $\text{Na}^+$. El esquema representa la cesión del electrón.

1. a) Definí qué es un catión y qué es un anión.
2. b) Indicá el signo de la carga de cada tipo de ion.
3. c) ¿Es el ion $\text{Na}^+$ un catión o un anión? Razoná la respuesta.

El magnesio ($Z = 12$) reacciona perdiendo electrones y formando el ion $\text{Mg}^{2+}$.

1. a) ¿Cuántos electrones pierde cada átomo de magnesio?
2. b) ¿Cuántos electrones tiene en total el ion formado?
3. c) Escribí el proceso como una semirreacción: $\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + \ldots$ (completá el número de electrones que se liberan).

El cloro ($Z = 17$) del agua de las piletas actúa como desinfectante y, al reaccionar, cada átomo gana un electrón formando el ion $\text{Cl}^{-}$.

1. a) ¿Cuántos electrones tiene el ion cloruro?
2. b) ¿Es un catión o un anión?
3. c) ¿Cuál es su carga eléctrica neta? Justificala contando protones y electrones.

Una partícula contiene $12$ protones y $10$ electrones.

1. a) Calculá su carga neta.
2. b) ¿Es un átomo neutro, un catión o un anión?
3. c) Identificá el elemento y escribí el símbolo del ion.

El cloro ($Z = 17$) y el argón ($Z = 18$) son vecinos en la tabla periódica.

1. a) Escribí la configuración electrónica del átomo de cloro y la del ion $\text{Cl}^{-}$.
2. b) Compará la configuración del ion cloruro con la del átomo de argón: ¿qué observás?
3. c) Explicá, usando ese resultado, por qué el cloro tiende a ganar un electrón cuando reacciona.

El aluminio ($Z = 13$) de las latas de gaseosa y el azufre ($Z = 16$) que aparece en los fósforos son elementos muy distintos, pero ambos forman iones estables.

1. a) Escribí la configuración electrónica de cada átomo.
2. b) Predecí el ion más estable que formará cada uno aplicando la regla del octeto.
3. c) Escribí la configuración de cada ion y nombrá el gas noble cuya configuración reproduce.

Estas especies parecen muy distintas: $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Mg}^{2+}$ y $\text{Al}^{3+}$. Datos: $Z(\text{N}) = 7$, $Z(\text{O}) = 8$, $Z(\text{F}) = 9$, $Z(\text{Na}) = 11$, $Z(\text{Mg}) = 12$, $Z(\text{Al}) = 13$.

1. a) Calculá el número de electrones de cada especie.
2. b) ¿Qué tienen en común todas ellas?
3. c) Explicá qué significa que sean isoelectrónicas e indicá con qué gas noble lo son.

Un ion $\text{X}^{2-}$ tiene $18$ electrones.

1. a) ¿Cuántos electrones tiene el átomo neutro del que procede?
2. b) ¿Cuál es su número atómico? Identificá el elemento.
3. c) Escribí la configuración electrónica del átomo y la del ion.

Para abreviar las configuraciones se usa la notación del gas noble: la del potasio ($Z = 19$) se escribe $[\text{Ar}]\ 4s^1$.

1. a) Escribí su configuración electrónica completa, sin abreviar.
2. b) ¿Cuántos electrones de valencia tiene el potasio?
3. c) ¿Qué ion formará con más facilidad? Escribí su configuración y explicá por qué es especialmente estable.

Los diagramas de Lewis representan los electrones de valencia como puntos alrededor del símbolo del elemento.

1. a) Indicá cuántos electrones de valencia tienen el sodio ($Z = 11$), el magnesio ($Z = 12$), el oxígeno ($Z = 8$) y el cloro ($Z = 17$).
2. b) Dibujá en tu cuaderno el diagrama de Lewis de cada uno de los cuatro átomos.
3. c) ¿Cuántos electrones desapareados tiene cada átomo? Relacionalo con el número de enlaces que suele formar cada elemento.

Podés hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Al convertirse en ion, un átomo cambia de tamaño: el radio del átomo de sodio es $186\ \text{pm}$ y el del ion $\text{Na}^{+}$, $102\ \text{pm}$; el del átomo de cloro es $99\ \text{pm}$ y el del ion $\text{Cl}^{-}$, $181\ \text{pm}$. Los cuatro tamaños se comparan a escala en la figura.

1. a) Escribí las configuraciones electrónicas de los dos átomos y de los dos iones.
2. b) Explicá por qué el catión es mucho más pequeño que el átomo del que procede.
3. c) Explicá por qué el anión es mucho más grande que su átomo.

El calcio ($Z = 20$), presente en los huesos y en los lácteos, forma siempre el ion $\text{Ca}^{2+}$; nunca aparece como $\text{Ca}^{+}$ ni como $\text{Ca}^{3+}$.

1. a) Escribí la configuración electrónica del átomo de calcio.
2. b) Escribí las configuraciones que tendrían los iones $\text{Ca}^{+}$, $\text{Ca}^{2+}$ y $\text{Ca}^{3+}$.
3. c) Usando la regla del octeto, justificá por qué solo el ion $\text{Ca}^{2+}$ es estable.

Estas son las energías necesarias para arrancar electrones sucesivos a un átomo de magnesio ($Z = 12$): $E_1 = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_2 = 1451\ \text{kJ/mol}$ y $E_3 = 7733\ \text{kJ/mol}$. La figura representa las tres energías.

1. a) Localizá entre qué ionizaciones se produce el gran salto y justificalo usando la configuración electrónica del magnesio.
2. b) Explicá por qué el magnesio forma el ion $\text{Mg}^{2+}$ y nunca el $\text{Mg}^{3+}$ en sus compuestos.
3. c) Predecí, razonándolo a partir de sus configuraciones, entre qué ionizaciones aparecerá el gran salto en el sodio ($Z = 11$) y en el aluminio ($Z = 13$).

Las especies $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ y $\text{Mg}^{2+}$ tienen todas $10$ electrones, pero sus radios son $140\ \text{pm}$, $133\ \text{pm}$, $102\ \text{pm}$ y $72\ \text{pm}$, respectivamente. La figura compara los cuatro radios a escala.

1. a) Explicá por qué, a igual número de electrones, el tamaño de la especie depende del número de protones del núcleo.
2. b) Ordená las cuatro especies de mayor a menor radio y relacioná ese orden con su número atómico.
3. c) Sin más datos, predecí cuál tendrá mayor radio entre el ion $\text{N}^{3-}$ y el ion $\text{Al}^{3+}$, y justificá tu predicción.

Un ion $\text{M}^{3+}$ tiene $10$ electrones.

1. a) Determiná el número atómico del elemento e identificalo.
2. b) Escribí la configuración electrónica del átomo neutro y la del ion.
3. c) ¿Con qué gas noble es isoelectrónico el ion?
4. d) Razoná por qué este elemento pierde $3$ electrones en lugar de ganar $5$ para completar el octeto.

El elemento X tiene número atómico $Z = 12$ y el elemento Y, $Z = 17$.

1. a) Escribí sus configuraciones electrónicas y predecí el ion estable que formará cada uno.
2. b) Deducí la fórmula del compuesto iónico que forman X e Y, teniendo en cuenta que el conjunto debe ser eléctricamente neutro.
3. c) Escribí la configuración de cada ion del compuesto e indicá con qué gases nobles son isoelectrónicos.

La regla del octeto tiene excepciones conocidas: en el $\text{BeCl}_2$ el berilio se queda con solo $4$ electrones a su alrededor, y en el $\text{BF}_3$ el boro, con $6$.

1. a) Dibujá en tu cuaderno los diagramas de Lewis de ambas moléculas.
2. b) Explicá qué significa que el berilio y el boro presenten «octeto incompleto».
3. c) En el $\text{PCl}_5$ el fósforo está rodeado por $10$ electrones («octeto expandido»): comentá por qué la regla del octeto sigue siendo una guía útil aunque no sea una ley rigurosa.

Podés hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

El hidrógeno es un caso especial: puede perder su electrón y quedar como $\text{H}^{+}$, ganar uno y formar el ion hidruro $\text{H}^{-}$, o compartirlo, como en la molécula $\text{H}_2$.

1. a) Escribí la configuración electrónica de las tres especies.
2. b) ¿Con qué gas noble es isoelectrónico el ion $\text{H}^{-}$? Explicá por qué para el hidrógeno la regla del octeto se convierte en una «regla del dueto».
3. c) El hidruro de sodio, $\text{NaH}$, se usa en los laboratorios como reactivo: justificá, con las configuraciones del sodio ($Z = 11$) y del hidrógeno, que esté formado por los iones $\text{Na}^{+}$ y $\text{H}^{-}$.

Arrancar un electrón a un átomo de neón cuesta $2081\ \text{kJ/mol}$, pero arrancárselo al ion $\text{Na}^{+}$, que tiene exactamente la misma configuración electrónica, cuesta $4562\ \text{kJ/mol}$. En cambio, al átomo de sodio neutro le cuesta solo $496\ \text{kJ/mol}$ perder su electrón $3s$. La figura compara las tres energías de ionización.

1. a) Explicá por qué cuesta más ionizar al $\text{Na}^{+}$ que al $\text{Ne}$ si ambos tienen los mismos electrones.
2. b) Usando los datos, razoná por qué el sodio forma con facilidad el ion $\text{Na}^{+}$ pero jamás aparece como $\text{Na}^{2+}$ en los compuestos químicos.
3. c) Conectá tus respuestas con la idea de estabilidad de la configuración de gas noble.

Redacción: «La estabilidad mueve a los átomos».

1. a) Usando las configuraciones electrónicas del sodio ($Z = 11$), el magnesio ($Z = 12$), el oxígeno ($Z = 8$) y el cloro ($Z = 17$), explicá qué ion forma cada elemento y por qué.
2. b) Deducí la fórmula de los compuestos $\text{NaCl}$, $\text{MgO}$ y $\text{MgCl}_2$ a partir de la neutralidad eléctrica del conjunto.
3. c) Concluí explicando qué papel juega la configuración de gas noble en todo el proceso de formación de iones.