Exercicis: Periodicitat de les propietats

Tots els elements de la columna 1 de la taula, els metalls alcalins, acaben la seva configuració electrònica en $s^1$.

1. a) Què tenen en comú les configuracions electròniques de tots els elements d'un mateix grup?
2. b) Quina conseqüència té aquesta semblança sobre les seves propietats químiques? Posa un exemple concret del grup 1.

Al laboratori, el sodi es conserva submergit en oli mineral perquè reacciona violentament amb l'aigua i fins i tot amb la humitat de l'aire.

1. a) Descriu què s'observa en tirar un trosset petit de sodi en una cubeta amb aigua.
2. b) Quin gas es desprèn en la reacció? Quin caràcter, àcid o bàsic, té la dissolució resultant?

L'heli dels globus i el neó dels rètols lluminosos són gasos nobles.

1. a) Què tenen d'especial les configuracions electròniques dels gasos nobles?
2. b) Per què gairebé no formen compostos químics? Quin avantatge ofereix l'heli enfront de l'hidrogen, inflamable, per omplir globus?

El clor que desinfecta les piscines i el iode de les farmàcies són halògens (grup 17).

1. a) Quants electrons de valència tenen els halògens? Quin ió formen en guanyar un electró?
2. b) Explica, amb l'intercanvi d'electrons entre ambdós àtoms, per què el sodi i el clor reaccionen formant clorur de sodi, $\text{NaCl}$.

El tercer període de la taula, d'esquerra a dreta, és: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl i Ar.

1. a) Indica quins d'aquests elements són metalls, quins no-metalls i quin és un metal·loide.
2. b) Com canvia el caràcter metàl·lic en avançar d'esquerra a dreta en un període?

Un cable de coure condueix el corrent elèctric; un tros de sofre, no.

1. a) Cita tres propietats típiques dels metalls que no comparteixen els no-metalls.
2. b) En quines zones de la taula periòdica (esquerra, centre, dreta) se situen els metalls i els no-metalls?

A partir del grup al qual pertany cada element, indica quin ió forma i justifica-ho amb el nombre d'electrons que guanya o perd per completar el seu últim nivell:

1. a) magnesi (grup 2)
2. b) nitrogen (grup 15)
3. c) potassi (grup 1)

El sodi forma ions $\text{Na}^{+}$ i l'oxigen, ions $\text{O}^{2-}$.

1. a) Quants ions $\text{Na}^{+}$ fan falta per compensar la càrrega d'un ió $\text{O}^{2-}$?
2. b) Escriu la fórmula de l'òxid de sodi. Quina serà la fórmula de l'òxid de potassi, que està en el mateix grup que el sodi?

En deixar caure sengles trossets de liti, sodi i potassi en tres cubetes amb aigua, la reacció és cada vegada més violenta. L'esquema dibuixa l'estructura de capes dels tres àtoms:

1. a) Ordena Li, Na, K i Rb de menor a major reactivitat amb l'aigua i iguala l'equació de la reacció del sodi: $\text{Na} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaOH} + \text{H}_2$.
2. b) Explica la tendència: com més avall està el metall alcalí en el grup, més fàcil o més difícil és arrencar-li el seu electró de valència? Relaciona-ho amb la seva reactivitat.

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

La reactivitat dels halògens varia al contrari que la dels metalls alcalins: el fluor és el més reactiu i el iode, el menys reactiu.

1. a) En bombollejar clor en una dissolució de bromur de potassi, la dissolució es tenyeix de marró perquè apareix brom: $\text{Cl}_2 + \text{KBr} \rightarrow \text{Br}_2 + \text{KCl}$. Iguala l'equació i explica què significa que el clor «desplaci» el brom dels seus compostos.
2. b) Prediu si el iode desplaçaria el clor d'una dissolució de $\text{NaCl}$. Justifica la resposta amb la tendència del grup.

Alguns radis atòmics mesurats són: Li: $152\ \text{pm}$, Na: $186\ \text{pm}$ i K: $227\ \text{pm}$ en el grup 1; i Na: $186\ \text{pm}$, Mg: $160\ \text{pm}$ i Al: $143\ \text{pm}$ en el tercer període. La figura dibuixa els sis àtoms a escala:

1. a) Descriu, amb aquestes dades, la tendència del radi atòmic en baixar en un grup i en avançar en un període.
2. b) Explica-la: què s'afegeix en baixar en un grup que fa créixer l'àtom, i què augmenta en avançar en un període que atrau més fortament l'escorça electrònica?

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

La primera energia d'ionització (energia necessària per arrencar l'electró més extern, en $\text{kJ/mol}$) val: Na: $496$, Mg: $738$, Al: $578$ i Cl: $1251$ en el tercer període; i Li: $520$, Na: $496$ i K: $419$ en el grup 1. La gràfica representa tots aquests valors:

1. a) Enuncia les dues tendències de l'energia d'ionització: en avançar en un període i en baixar en un grup.
2. b) Relaciona la baixa energia d'ionització dels metalls alcalins amb la seva facilitat per formar ions $\text{X}^{+}$ i, alhora, amb la seva gran reactivitat.

Prediu la fórmula d'aquests compostos iònics a partir de les càrregues habituals dels ions, justificant l'intercanvi d'electrons:

1. a) alumini ($\text{Al}^{3+}$) amb sofre ($\text{S}^{2-}$)
2. b) calci ($\text{Ca}^{2+}$) amb nitrogen ($\text{N}^{3-}$)

Un element és un gas incolor, inodor i totalment inert; la indústria l'utilitza com a atmosfera protectora en la soldadura per arc i per omplir l'espai entre els vidres de les finestres de doble vidre.

1. a) A quin grup de la taula pertany?
2. b) El seu àtom té $18$ electrons: de quin element es tracta? Escriu la seva configuració electrònica i explica, a partir d'aquesta, per què és inert.

L'electronegativitat mesura la tendència d'un àtom a atraure cap a si els electrons d'un enllaç. Alguns valors: F: $4,0$, O: $3,5$, Cl: $3,2$, S: $2,6$, Na: $0,9$ i Cs: $0,7$.

1. a) Comprova amb aquestes dades que l'electronegativitat creix en avançar en un període i decreix en baixar en un grup.
2. b) Quin element de la taula és el més electronegatiu i en quin racó es troba? On se situen, en canvi, els elements menys electronegatius?

Ordena de major a menor caràcter metàl·lic els elements Na, Mg, S i Si.

1. a) Justifica l'ordre a partir de les seves posicions en el tercer període.
2. b) Explica quina propietat macroscòpica, com la conducció del corrent elèctric, canviaria en recórrer la sèrie en aquest ordre.

Els òxids dels elements del tercer període són: $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{SO}_3$ i $\text{Cl}_2\text{O}_7$. En reaccionar amb aigua, els dos primers donen dissolucions bàsiques i els dos últims, dissolucions àcides; l'$\text{Al}_2\text{O}_3$ i el $\text{SiO}_2$ són pràcticament insolubles, tot i que el $\text{SiO}_2$ té caràcter àcid (reacciona amb les bases).

1. a) Relaciona el caràcter àcid o bàsic de l'òxid amb la posició de l'element en el període i amb el seu caràcter metàl·lic.
2. b) L'òxid d'alumini és amfòter: reacciona com a base enfront dels àcids i com a àcid enfront de les bases. Encaixa aquesta ambigüitat amb la seva posició intermèdia en el període? Justifica-ho.
3. c) Prediu el caràcter (àcid, bàsic o amfòter) de l'òxid de potassi, $\text{K}_2\text{O}$, i del diòxid de seleni, $\text{SeO}_2$, a partir de la posició del K i del Se a la taula.

Radis mesurats: Na: $186\ \text{pm}$ i $\text{Na}^{+}$: $95\ \text{pm}$; Cl: $99\ \text{pm}$ i $\text{Cl}^{-}$: $181\ \text{pm}$. La figura dibuixa àtoms i ions a escala:

1. a) Quin ió és menor que el seu àtom neutre i quin és major? Compara numèricament cada parella.
2. b) Explica ambdós canvis comptant electrons i nivells: què perd el sodi en ionitzar-se i per què creix tant el clor en guanyar un electró (pensa en la repulsió entre electrons)?
3. c) L'ió $\text{Na}^{+}$ i l'ió $\text{F}^{-}$ són isoelectrònics (tenen $10$ electrons): prediu quin dels dos serà més gran i justifica-ho comparant les seves càrregues nuclears ($Z = 11$ per al Na i $Z = 9$ per al F).

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

Les tres primeres energies d'ionització successives d'un element del tercer període són $E_{i,1} = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_{i,2} = 1451\ \text{kJ/mol}$ i $E_{i,3} = 7733\ \text{kJ/mol}$. La gràfica representa les tres energies a escala:

1. a) Calcula quantes vegades és més gran $E_{i,2}$ que $E_{i,1}$ i quantes vegades és més gran $E_{i,3}$ que $E_{i,2}$.
2. b) Entre quines ionitzacions hi ha el «salt»? Quants electrons de valència té aquest àtom? Justifica-ho.
3. c) Sabent que la seva configuració acaba en $3s^2$, identifica l'element i explica per què arrencar-li el tercer electró costa tant: d'on surt aquest electró?

El seleni ($Z = 34$) és un oligoelement essencial que apareix en la composició d'alguns suplements dietètics.

1. a) Escriu la seva configuració electrònica i dedueix el seu període i el seu grup.
2. b) Prediu: el seu ió més habitual, la fórmula del seu compost amb el sodi i la fórmula del seu hidrur (el compost amb hidrogen anàleg a l'aigua).
3. c) Compara la seva reactivitat amb la del sofre, que està just a sobre en el mateix grup, i justifica-la amb la tendència dels no-metalls en baixar en un grup.

Les cèl·lules fotoelèctriques d'algunes barreres de seguretat industrials contenen cesi: n'hi ha prou amb la llum visible per arrencar electrons de la seva superfície.

1. a) Relaciona aquesta propietat amb la primera energia d'ionització del cesi ($376\ \text{kJ/mol}$, la menor dels metalls alcalins) i amb la seva posició en el grup 1.
2. b) El sodi té $E_{i,1} = 496\ \text{kJ/mol}$: raona, amb la tendència del grup, per què el cesi és més adequat que el sodi per a aquesta aplicació.
3. c) El sodi i el potassi es guarden sota oli: utilitza les tendències del grup per explicar què passaria si s'emmagatzemessin a la intempèrie i per què el liti es pot manipular amb una mica més de calma.

La reacció del sodi amb l'aigua és $2\ \text{Na} + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{NaOH} + \text{H}_2$.

1. a) En una demostració al laboratori s'utilitzen $0,2\ \text{mol}$ de sodi: quants mols de $\text{H}_2$ es desprenen? Quina massa d'hidrogen és ($M(\text{H}) = 1\ \text{g/mol}$)?
2. b) Quina massa de $\text{NaOH}$ ($M = 40\ \text{g/mol}$) es forma en aquesta mateixa demostració?
3. c) La reacció desprèn molta calor i l'hidrogen pot cremar: explica, amb la tendència de reactivitat del grup 1, per què fer la mateixa demostració amb potassi és encara més perillós.

Si es representa la primera energia d'ionització enfront del nombre atòmic $Z$ per als primers $20$ elements, s'obté una gràfica de dents de serra: pics a He, Ne i Ar, valls a Li, Na i K, i una pujada general dins de cada període. La figura mostra aquesta representació:

1. a) Explica, amb les seves configuracions electròniques, per què els pics corresponen als gasos nobles.
2. b) Explica per què les valls corresponen als metalls alcalins.
3. c) Sense consultar valors, prediu en quin element dels voltants de $Z = 36$ apareixerà el següent pic i en quin la següent vall: justifica totes dues prediccions.

No existeix el compost $\text{NaCl}_2$ i sí el $\text{MgCl}_2$; tampoc no existeix el $\text{MgCl}$.

1. a) Utilitzant les configuracions electròniques del sodi i del magnesi, explica què hauria de passar perquè existís l'ió $\text{Na}^{2+}$ i per què això no es produeix (pensa en el que costa la segona ionització).
2. b) Explica per què l'ió $\text{Mg}^{+}$ no apareix en els compostos iònics i sí el $\text{Mg}^{2+}$.
3. c) Conclou generalitzant: com «decideix» la taula periòdica les fórmules dels compostos iònics? Escriu la regla per a un metall del grup $g$ que forma ions $\text{X}^{g+}$ combinat amb un halogen que forma ions $\text{Y}^{-}$.

Repte del tema. La teva missió és investigar com l'estructura electrònica defineix les propietats macroscòpiques i emular Mendeléiev analitzant la periodicitat.

1. Història i radiació: Consulta a la base de dades NIST Basic Atomic Spectroscopic Data les línies d'emissió visibles del $\text{Na}$ i del $\text{Ca}$. Calcula l'energia dels fotons emesos amb $E = h \cdot \frac{c}{\lambda}$ i explica com la interacció amb la radiació electromagnètica va superar les limitacions de l'ordenació per massa atòmica.

2. Experiment casolà: Talla $5$ làmines rectangulars de paper d'alumini de diferents mides (àrees d'entre uns $1000$ i $5000\text{ cm}^2$, perquè cada massa sigui de diversos grams). Mesura les seves dimensions amb un regle (incertesa $\pm 0,1\text{ cm}$) per trobar l'àrea ($A$) i la seva massa amb una bàscula de cuina ($\pm 1\text{ g}$). Registra les dades en una taula amb les seves incerteses, representa la gràfica de $m$ enfront de $A$ i dedueix la densitat superficial i, amb la densitat tabulada de l'alumini ($\rho_{\text{Al}} = 2,70\text{ g/cm}^3$), el gruix del material.

3. Periodicitat i síntesi: Recopila al web de la IUPAC o Ptable les densitats i els radis atòmics dels elements del període 3. Elabora un breu informe argumentant com la càrrega nuclear efectiva ($Z^*$) i l'apantallament justifiquen la variació del radi atòmic i quins altres factors (massa atòmica, estat físic, tipus d'enllaç i empaquetament) expliquen la de la densitat; situa en aquesta variació la densitat de l'alumini que has fet servir a l'apartat 2.

Es valorarà:

• Rigor en el càlcul de la radiació emesa i la seva fonamentació històrica.

• Qualitat de la presa de dades, tractament d'incerteses, taula i gràfica.

• Justificació teòrica sòlida de les propietats periòdiques a partir de la configuració electrònica.