Exercicis: Estabilitat d'àtoms i ions

A la natura gairebé no es troben àtoms aïllats: llevat dels gasos nobles, els elements es presenten formant compostos o metalls.

1. a) Explica què significa que un àtom sigui «estable» i què guanyen els àtoms en enllaçar-se els uns amb els altres.
2. b) Què passa amb l'energia del conjunt quan els àtoms formen un enllaç? Augmenta o disminueix?

La regla de l'octet guia la química de la majoria dels elements.

1. a) Enuncia-la amb les teves paraules.
2. b) A quins electrons de l'àtom es refereix?
3. c) Quina configuració assoleixen els àtoms quan la compleixen? Posa un exemple d'element que ja la posseeixi de manera natural.

El neó ($Z = 10$) s'utilitza en els rètols lluminosos perquè és un gas completament inert: no reacciona amb res.

1. a) Escriu la seva configuració electrònica.
2. b) Quants electrons té a la seva última capa?
3. c) Explica, a partir d'aquesta configuració, per què els gasos nobles no formen compostos en condicions normals.

Un element té la configuració electrònica $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^4$.

1. a) Quin és el seu nombre atòmic i de quin element es tracta?
2. b) Quants electrons de valència té?
3. c) Quants electrons li falten per completar l'octet?

Quan el sodi es combina amb el clor, cada àtom de sodi cedeix un electró i es converteix en l'ió $\text{Na}^+$. L'esquema representa la cessió de l'electró.

1. a) Defineix què és un catió i què és un anió.
2. b) Indica el signe de la càrrega de cada tipus d'ió.
3. c) És l'ió $\text{Na}^+$ un catió o un anió? Raona la resposta.

El magnesi ($Z = 12$) reacciona perdent electrons i formant l'ió $\text{Mg}^{2+}$.

1. a) Quants electrons perd cada àtom de magnesi?
2. b) Quants electrons té en total l'ió format?
3. c) Escriu el procés com una semiequació: $\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + \ldots$ (completa el nombre d'electrons que s'alliberen).

El clor ($Z = 17$) de l'aigua de les piscines actua com a desinfectant i, en reaccionar, cada àtom guanya un electró formant l'ió $\text{Cl}^{-}$.

1. a) Quants electrons té l'ió clorur?
2. b) És un catió o un anió?
3. c) Quina és la seva càrrega elèctrica neta? Justifica-la comptant protons i electrons.

Una partícula conté $12$ protons i $10$ electrons.

1. a) Calcula la seva càrrega neta.
2. b) És un àtom neutre, un catió o un anió?
3. c) Identifica l'element i escriu el símbol de l'ió.

El clor ($Z = 17$) i l'argó ($Z = 18$) són veïns a la taula periòdica.

1. a) Escriu la configuració electrònica de l'àtom de clor i la de l'ió $\text{Cl}^{-}$.
2. b) Compara la configuració de l'ió clorur amb la de l'àtom d'argó: què observes?
3. c) Explica, utilitzant aquest resultat, per què el clor tendeix a guanyar un electró quan reacciona.

L'alumini ($Z = 13$) de les llaunes de refresc i el sofre ($Z = 16$) que apareix als llumins són elements molt diferents, però tots dos formen ions estables.

1. a) Escriu la configuració electrònica de cada àtom.
2. b) Prediu l'ió més estable que formarà cadascun aplicant la regla de l'octet.
3. c) Escriu la configuració de cada ió i anomena el gas noble la configuració del qual reprodueix.

Aquestes espècies semblen molt diferents: $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Mg}^{2+}$ i $\text{Al}^{3+}$. Dades: $Z(\text{N}) = 7$, $Z(\text{O}) = 8$, $Z(\text{F}) = 9$, $Z(\text{Na}) = 11$, $Z(\text{Mg}) = 12$, $Z(\text{Al}) = 13$.

1. a) Calcula el nombre d'electrons de cada espècie.
2. b) Què tenen en comú totes elles?
3. c) Explica què significa que siguin isoelectròniques i indica amb quin gas noble ho són.

Un ió $\text{X}^{2-}$ té $18$ electrons.

1. a) Quants electrons té l'àtom neutre del qual procedeix?
2. b) Quin és el seu nombre atòmic? Identifica l'element.
3. c) Escriu la configuració electrònica de l'àtom i la de l'ió.

Per abreujar les configuracions s'utilitza la notació del gas noble: la del potassi ($Z = 19$) s'escriu $[\text{Ar}]\ 4s^1$.

1. a) Escriu la seva configuració electrònica completa, sense abreujar.
2. b) Quants electrons de valència té el potassi?
3. c) Quin ió formarà amb més facilitat? Escriu la seva configuració i explica per què és especialment estable.

Els diagrames de Lewis representen els electrons de valència com a punts al voltant del símbol de l'element.

1. a) Indica quants electrons de valència tenen el sodi ($Z = 11$), el magnesi ($Z = 12$), l'oxigen ($Z = 8$) i el clor ($Z = 17$).
2. b) Dibuixa al teu quadern el diagrama de Lewis de cadascun dels quatre àtoms.
3. c) Quants electrons desparellats té cada àtom? Relaciona-ho amb el nombre d'enllaços que sol formar cada element.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

En convertir-se en ió, un àtom canvia de mida: el radi de l'àtom de sodi és $186\ \text{pm}$ i el de l'ió $\text{Na}^{+}$, $102\ \text{pm}$; el de l'àtom de clor és $99\ \text{pm}$ i el de l'ió $\text{Cl}^{-}$, $181\ \text{pm}$. Les quatre mides es comparen a escala a la figura.

1. a) Escriu les configuracions electròniques dels dos àtoms i dels dos ions.
2. b) Explica per què el catió és molt més petit que l'àtom del qual procedeix.
3. c) Explica per què l'anió és molt més gran que el seu àtom.

El calci ($Z = 20$), present als ossos i als lactis, forma sempre l'ió $\text{Ca}^{2+}$; mai no apareix com a $\text{Ca}^{+}$ ni com a $\text{Ca}^{3+}$.

1. a) Escriu la configuració electrònica de l'àtom de calci.
2. b) Escriu les configuracions que tindrien els ions $\text{Ca}^{+}$, $\text{Ca}^{2+}$ i $\text{Ca}^{3+}$.
3. c) Fent servir la regla de l'octet, justifica per què només l'ió $\text{Ca}^{2+}$ és estable.

Aquestes són les energies necessàries per arrencar electrons successius a un àtom de magnesi ($Z = 12$): $E_1 = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_2 = 1451\ \text{kJ/mol}$ i $E_3 = 7733\ \text{kJ/mol}$. La figura representa les tres energies.

1. a) Localitza entre quines ionitzacions es produeix el gran salt i justifica-ho utilitzant la configuració electrònica del magnesi.
2. b) Explica per què el magnesi forma l'ió $\text{Mg}^{2+}$ i mai el $\text{Mg}^{3+}$ en els seus compostos.
3. c) Prediu, raonant-ho a partir de les seves configuracions, entre quines ionitzacions apareixerà el gran salt en el sodi ($Z = 11$) i en l'alumini ($Z = 13$).

Les espècies $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ i $\text{Mg}^{2+}$ tenen totes $10$ electrons, però els seus radis són $140\ \text{pm}$, $133\ \text{pm}$, $102\ \text{pm}$ i $72\ \text{pm}$, respectivament. La figura compara els quatre radis a escala.

1. a) Explica per què, a igual nombre d'electrons, la mida de l'espècie depèn del nombre de protons del nucli.
2. b) Ordena les quatre espècies de major a menor radi i relaciona aquest ordre amb el seu nombre atòmic.
3. c) Sense més dades, prediu quina tindrà major radi entre l'ió $\text{N}^{3-}$ i l'ió $\text{Al}^{3+}$, i justifica la teva predicció.

Un ió $\text{M}^{3+}$ té $10$ electrons.

1. a) Determina el nombre atòmic de l'element i identifica'l.
2. b) Escriu la configuració electrònica de l'àtom neutre i la de l'ió.
3. c) Amb quin gas noble és isoelectrònic l'ió?
4. d) Raona per què aquest element perd $3$ electrons en lloc de guanyar-ne $5$ per completar l'octet.

L'element X té nombre atòmic $Z = 12$ i l'element Y, $Z = 17$.

1. a) Escriu les seves configuracions electròniques i prediu l'ió estable que formarà cadascun.
2. b) Dedueix la fórmula del compost iònic que formen X i Y, tenint en compte que el conjunt ha de ser elèctricament neutre.
3. c) Escriu la configuració de cada ió del compost i indica amb quins gasos nobles són isoelectrònics.

La regla de l'octet té excepcions conegudes: en el $\text{BeCl}_2$ el beril·li es queda amb només $4$ electrons al seu voltant, i en el $\text{BF}_3$ el bor, amb $6$.

1. a) Dibuixa al teu quadern els diagrames de Lewis d'ambdues molècules.
2. b) Explica què significa que el beril·li i el bor presentin «octet incomplet».
3. c) En el $\text{PCl}_5$ el fòsfor està envoltat per $10$ electrons («octet expandit»): comenta per què la regla de l'octet continua sent una guia útil encara que no sigui una llei rigorosa.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

L'hidrogen és un cas especial: pot perdre el seu electró i quedar com a $\text{H}^{+}$, guanyar-ne un i formar l'ió hidrur $\text{H}^{-}$, o compartir-lo, com a la molècula $\text{H}_2$.

1. a) Escriu la configuració electrònica de les tres espècies.
2. b) Amb quin gas noble és isoelectrònic l'ió $\text{H}^{-}$? Explica per què per a l'hidrogen la regla de l'octet es converteix en una «regla del duet».
3. c) L'hidrur de sodi, $\text{NaH}$, s'utilitza als laboratoris com a reactiu: justifica, amb les configuracions del sodi ($Z = 11$) i de l'hidrogen, que estigui format pels ions $\text{Na}^{+}$ i $\text{H}^{-}$.

Arrencar un electró a un àtom de neó costa $2081\ \text{kJ/mol}$, però arrencar-l'hi a l'ió $\text{Na}^{+}$, que té exactament la mateixa configuració electrònica, costa $4562\ \text{kJ/mol}$. En canvi, a l'àtom de sodi neutre li costa només $496\ \text{kJ/mol}$ perdre el seu electró $3s$. La figura compara les tres energies d'ionització.

1. a) Explica per què costa més ionitzar el $\text{Na}^{+}$ que el $\text{Ne}$ si tots dos tenen els mateixos electrons.
2. b) Utilitzant les dades, raona per què el sodi forma amb facilitat l'ió $\text{Na}^{+}$ però mai no apareix com a $\text{Na}^{2+}$ en els compostos químics.
3. c) Connecta les teves respostes amb la idea d'estabilitat de la configuració de gas noble.

Redacció: «L'estabilitat mou els àtoms».

1. a) Fent servir les configuracions electròniques del sodi ($Z = 11$), el magnesi ($Z = 12$), l'oxigen ($Z = 8$) i el clor ($Z = 17$), explica quin ió forma cada element i per què.
2. b) Dedueix la fórmula dels compostos $\text{NaCl}$, $\text{MgO}$ i $\text{MgCl}_2$ a partir de la neutralitat elèctrica del conjunt.
3. c) Conclou explicant quin paper juga la configuració de gas noble en tot el procés de formació d'ions.