Exercicis: Configuració, taula periòdica i propietats

La taula periòdica s'assembla a la prestatgeria d'una biblioteca: cada fila és un període i cada columna és un grup, com es mostra a la figura.

Explica què tenen en comú les configuracions electròniques dels elements d'un mateix grup i quina informació dona el nombre del període sobre la configuració d'un element.

L'alumini de les llaunes de refresc té la configuració electrònica $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^1$.

1. a) En quin període de la taula es troba? (Pista: fixa't en el nivell més alt que té electrons.)
2. b) Quants electrons de valència té?
3. c) L'alumini està en el grup $13$: quina relació observes entre aquest nombre de grup i els electrons de valència?

El liti ($Z = 3$) i el sodi ($Z = 11$) són metalls alcalins tan reactius que al laboratori es conserven submergits en oli, perquè no toquin l'aire.

1. a) Escriu la configuració electrònica de cadascun.
2. b) Assenyala què tenen en comú les seves capes de valència i en quin grup de la taula estan.

El fluor ($Z = 9$) d'alguns dentifricis i el clor ($Z = 17$) de les piscines pertanyen al grup $17$, el dels halògens.

1. a) Escriu les configuracions electròniques dels dos elements.
2. b) Explica, a partir d'aquestes, per què estan en el mateix grup.

L'heli ($Z = 2$) que refreda els imants de les màquines de ressonància magnètica dels hospitals i l'argó ($Z = 18$) que omple les bombetes de filament pertanyen al grup $18$, el dels gasos nobles.

1. a) Escriu les configuracions electròniques dels dos gasos.
2. b) Què tenen d'especial els seus últims nivells?
3. c) Relaciona aquesta particularitat amb el fet que els gasos nobles amb prou feines formin compostos.

Un element està en el període $2$ i té $4$ electrons de valència.

1. a) Escriu la seva configuració electrònica.
2. b) De quin element es tracta?
3. c) En quin grup de la taula està situat?

A la taula periòdica, els metalls estan situats a l'esquerra i els no-metalls a la dreta, com es mostra a la figura.

Per a cadascun d'aquests elements indica si és metall o no-metall i si li resulta més fàcil perdre o guanyar electrons:

1. a) el sodi, del grup $1$;
2. b) el clor, del grup $17$.

La taula periòdica ordena els elements de menor a major nombre atòmic $Z$. Explica per què aquest ordre coincideix amb l'ordre en què es van omplint els orbitals, tenint en compte que cada element té un protó (i, si és neutre, un electró) més que l'anterior.

Els caps dels llumins contenen sofre, la configuració electrònica del qual és $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^4$.

1. a) Dedueix en quin període i en quin grup de la taula està el sofre.
2. b) Quants electrons li falten per completar el seu últim nivell?
3. c) Prediu quin ió formarà i indica la seva càrrega.

Un element està situat en el grup $2$ i en el període $3$ de la taula periòdica.

1. a) Escriu la seva configuració electrònica.
2. b) De quin element es tracta? (Pista: crema amb una llum blanca molt intensa i s'usa en bengales i focs d'artifici.)
3. c) Prediu l'ió que forma amb facilitat i escriu el seu símbol amb la càrrega corresponent.

L'alumini (grup $13$) i el clor (grup $17$) formen el compost $\text{AlCl}_3$, present en alguns antitranspirants.

1. a) Prediu l'ió que forma cada element, raonant-ho a partir dels seus electrons de valència.
2. b) Utilitzant les càrregues d'aquests ions, justifica per què la fórmula és $\text{AlCl}_3$ i no pas $\text{AlCl}$.

El sodi i el clor estan en el període $3$, però l'àtom de sodi és força més gran que el de clor, com es mostra a la figura.

1. a) Escriu les configuracions electròniques dels dos elements i comprova que els seus electrons de valència ocupen el mateix nivell.
2. b) Explica per què l'àtom de clor és més petit, comparant el nombre de protons que atrauen aquesta capa d'electrons en cada cas.

En baixar en el grup dels alcalins (liti, sodi, potassi), els àtoms són cada vegada més grans, com es mostra a la figura.

1. a) Escriu les configuracions electròniques dels tres elements ($Z$: Li = 3, Na = 11, K = 19).
2. b) Explica, fixant-te en el nombre de nivells ocupats, per què el radi atòmic augmenta en baixar en el grup.

En un experiment de classe es deixen caure trossets de liti, sodi i potassi sobre aigua: el liti bombolleja lentament, el sodi es desplaça ràpid per la superfície i el potassi crema amb una flama de color violeta.

1. a) Ordena els tres metalls de menys a més reactiu.
2. b) Explica l'ordre tenint en compte a quina distància del nucli es troba l'electró de valència en cada àtom i com és de fàcil arrencar-lo.

Ordena de menor a major radi atòmic els àtoms de fluor ($Z = 9$), clor ($Z = 17$) i brom ($Z = 35$). Justifica la teva resposta raonant quants nivells electrònics ocupats té cada àtom (el fluor omple fins al nivell $2$, el clor fins al $3$ i el brom fins al $4$).

Dos elements desconeguts tenen nombres atòmics $Z = 3$ i $Z = 19$.

1. a) Escriu les seves configuracions electròniques.
2. b) Dedueix si estan en el mateix grup i digues quin és.
3. c) Prediu una propietat química que comparteixin.

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

1. a) Identifica'l amb l'ajuda de la taula periòdica i dedueix el seu període i el seu grup.
2. b) És un metall o un no-metall? Quin ió formarà amb facilitat?
3. c) Prediu la fórmula del compost que forma amb l'oxigen, que dóna ions $\text{O}^{2-}$, i justifica-la.

El radi de l'àtom de sodi és d'uns $0,190\ \text{nm}$, mentre que el del seu ió $\text{Na}^+$ és de només $0,098\ \text{nm}$. En canvi, l'àtom de clor fa $0,099\ \text{nm}$ i el seu ió $\text{Cl}^-$ fa $0,181\ \text{nm}$, com es mostra a la figura.

1. a) Indica com canvia la mida de cada element en convertir-se en ió.
2. b) Explica els dos canvis comparant el nombre de protons i d'electrons abans i després de formar-se els ions (pots ajudar-te de les configuracions electròniques).

Els ions $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ i $\text{Mg}^{2+}$ tenen tots la mateixa configuració electrònica, com es mostra a la figura.

1. a) Escriu aquesta configuració.
2. b) Tot i així, els seus radis són diferents: $0,065$; $0,098$; $0,133$; $0,140$ i $0,171\ \text{nm}$ (estan desordenats). Assigna cada radi a l'ió que li correspon i explica el criteri utilitzat, tenint en compte que tots tenen $10$ electrons però diferent nombre de protons al nucli.

En el grup dels alcalins, la reactivitat augmenta en baixar: el potassi reacciona amb l'aigua molt més violentament que el liti. En el grup dels halògens passa just el contrari: el fluor és el més reactiu i en baixar en el grup la reactivitat disminueix, com es mostra a la figura.

Explica les dues tendències amb una mateixa idea: què ha de fer cada família amb els electrons (perdre'ls o guanyar-los) per adquirir configuració de gas noble i a quina distància del nucli està la seva capa de valència.

El guix de les parets conté un element X l'ió $\text{X}^{2+}$ del qual és isoelectrònic amb l'argó ($Z = 18$).

1. a) Calcula el nombre atòmic de X i identifica'l amb l'ajuda de la taula periòdica.
2. b) Dedueix el seu grup i el seu període.
3. c) Prediu si serà un metall reactiu i raona què li passaria a un trosset de X si el deixéssim caure en aigua (compara'l amb el sodi).

El neó mai forma compostos químics, però el sodi i el clor es combinen amb facilitat per donar sal comuna, $\text{NaCl}$.

1. a) Escriu les configuracions electròniques dels tres elements ($Z$: Ne = 10, Na = 11, Cl = 17).
2. b) Explica per què el neó «no necessita» reaccionar.
3. c) Explica per què el sodi i el clor «es necessiten» l'un a l'altre per quedar amb configuració de gas noble.

El liti, el sodi i el potassi s'assemblen molt entre si, i el mateix passa amb el fluor, el clor i el brom.

1. a) Escriu les configuracions electròniques del Li ($Z = 3$), del Na ($Z = 11$) i del K ($Z = 19$) i assenyala què es repeteix en les seves capes de valència.
2. b) Explica, a partir d'aquesta repetició, per què les propietats químiques dels elements es repeteixen periòdicament en recórrer la taula.

Cinc elements dels períodes $2$, $3$ i $4$ tenen radis atòmics aproximats de $0,064$; $0,099$; $0,155$; $0,190$ i $0,235\ \text{nm}$. Es tracta del fluor, el clor, el liti, el sodi i el potassi, però no se sap quin és quin.

1. a) Assigna cada radi al seu element raonant amb les dues tendències periòdiques (com canvia el radi en avançar en un període i en baixar en un grup).
2. b) Ordena els cinc elements per nombre atòmic creixent i explica com es combinen les dues tendències en recórrer la taula.

Repte del tema. Com condiciona el núvol electrònic dels àtoms les propietats dels materials que fem servir diàriament? Connecta l'estructura atòmica amb el món macroscòpic seguint aquestes fases:

1. Configuració i periodicitat: Tria dos metalls domèstics comuns: alumini (paper de cuina) i coure (fil elèctric). Escriu les seves configuracions electròniques en estat fonamental, situa'ls a la taula periòdica (grup i període) i identifica els seus electrons de valència.

2. Mesura casolana i incertesa: Agafa una làmina rectangular de paper d'alumini. Mesura la seva longitud i amplada amb un regle ($\pm 0,1\text{ cm}$) i la seva massa en una bàscula de cuina ($\pm 1\text{ g}$). Amb el gruix comercial típic ($0,0016\text{ cm}$, que consideraràs exacte), calcula el volum i la densitat experimental amb el seu marge d'incertesa ($\rho \pm \Delta\rho$).

3. Tractament de dades oficials: Consulta al web de referència WebElements o NIST el radi atòmic i la densitat dels elements del període 3 (del $Na$ a l'$Ar$). Construeix una taula de dades i dibuixa la gràfica «Radi atòmic enfront de Densitat».

4. Proposta raonada: Elabora un informe breu on relacionis la gràfica amb la càrrega nuclear efectiva ($Z^*$) i l'apantallament ($Z^*$ és la càrrega que «nota» un electró extern: els protons del nucli menys l'efecte pantalla dels electrons interns; al llarg del període creix perquè hi ha més protons amb les mateixes capes internes), comparant la teva densitat experimental de l'$Al$ amb la tendència periòdica.

Es valorarà:

• Deducció correcta de configuracions electròniques i posició periòdica.

• Precisió en la presa de mesures casolanes, expressió rigorosa d'incerteses i qualitat de la gràfica.

• Argumentació científica que vinculi l'estructura atòmica amb les tendències macroscòpiques.