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Décimo 10° · Química
Estructura de la materia · Modelos atómicos y periodicidad

Números cuánticos y configuraciones electrónicas

Un imán de refrigeradora se pega a una lata de atún, pero no a una de aluminio. En los átomos pasa algo parecido: algunos tienen electrones «solitarios» que responden a un imán y otros no. Cada electrón de un átomo tiene una «dirección» completa dentro de la corteza: en qué nivel está, en qué tipo de subnivel, en cuál orbital exactamente y con qué sentido de giro. Esa dirección son los cuatro números cuánticos. Con ellos y tres reglas de llenado usted va a poder escribir la configuración en el sistema nlx de cualquier átomo o ion, y entender por qué el oxígeno es atraído por un imán y el neón no.

Los cuatro números cuánticos

En el modelo mecano-cuántico, el estado de un electrón se describe con cuatro números. Los tres primeros definen el orbital en el que está; el cuarto, el giro del electrón. La distinción clave es esta: nivel (n), subnivel (n y l) y orbital (n, l y $m_l$).

Subniveles y orbitales posibles para el nivel n = 3: 3s con un orbital, 3p con tres y 3d con cinco. n = 3 l = 0 (3s): 1 orbital (ml = 0) l = 1 (3p): 3 orbitales (ml = -1, 0, +1) l = 2 (3d): 5 orbitales (ml = -2, -1, 0, +1, +2)

Principio de exclusión de Pauli

Principio de Pauli: un orbital con dos electrones de espines opuestos está permitido; con espines paralelos está prohibido. permitido:espines opuestos prohibido:mismo espín

Llenado de orbitales: mínima energía y regla de Hund

Si se acerca un imán potente a oxígeno líquido, este es atraído; el nitrógeno líquido apenas responde y los gases nobles, como el neón, son ligeramente repelidos. ¿Con qué reglas se ocupan los orbitales y por qué algunos átomos conservan electrones desapareados?

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El fósforo es un elemento no metálico esencial cuyo número atómico es Z = 15. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de fósforo en su estado fundamental según…

El fósforo es un elemento no metálico esencial cuyo número atómico es Z = 15.

  1. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de fósforo en su estado fundamental según el principio de llenado progresivo o diagrama de Moeller.
  2. b) Indique cuántos electrones desapareados posee en su capa de valencia de acuerdo con la regla de máxima multiplicidad de Hund y deduzca si el átomo neutro en estado fundamental exhibe propiedades paramagnéticas o diamagnéticas.
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Considere el átomo de carbono en estado neutro (Z = 6), cuya configuración electrónica completa comienza con el subnivel $1s^2\,2s^2$ y finaliza con dos electrones…

Considere el átomo de carbono en estado neutro (Z = 6), cuya configuración electrónica completa comienza con el subnivel $1s^2\,2s^2$ y finaliza con dos electrones situados en el subnivel 2p. En el siguiente esquema se recogen tres posibles distribuciones (A, B y C) para los dos electrones en los tres orbitales degenerados 2p:

Opción A Opción B Opción C Orbitales 2p
  1. a) Identifique cuál de las tres opciones corresponde al estado fundamental del carbono, razonando su elección a partir de las leyes cuánticas de llenado.
  2. b) Analice detalladamente qué principio cuántico o regla se transgrede en cada una de las dos opciones restantes.
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Configuraciones de iones y del hierro

Las sales de hierro(II) y de hierro(III) se comportan distinto frente a un campo magnético: el $\mathrm{Fe}^{3+}$ tiene cinco electrones desapareados y el $\mathrm{Fe}^{2+}$, cuatro. Si el $4s$ se llena antes que el $3d$, ¿de qué subnivel se sacan primero los electrones al formar un catión?

Iones de elementos representativos

Un anión gana electrones y se completa el mismo subnivel de valencia; un catión pierde electrones de la capa más externa (mayor $n$).

Iones de metales de transición

Ionización del hierro: el átomo neutro pierde los dos electrones 4s y queda como Fe²⁺ con configuración [Ar] 3d⁶. Fe neutro 4s² 3d⁶ Fe²⁺: pierde los 2 electrones 4s → [Ar] 3d⁶
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El hierro es un elemento de transición con número atómico Z = 26. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de hierro neutro en su estado fundamental y…

El hierro es un elemento de transición con número atómico Z = 26.

  1. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de hierro neutro en su estado fundamental y justifique por qué al ionizarse para formar el catión $\mathrm{Fe}^{2+}$ pierde antes los electrones del orbital 4s que los del subnivel 3d.
  2. b) Escriba la configuración electrónica del catión $\mathrm{Fe}^{3+}$ y determine razonadamente cuál de las dos especies, $\mathrm{Fe}^{2+}$ o $\mathrm{Fe}^{3+}$, presentará un mayor número de electrones desapareados y, en consecuencia, un comportamiento paramagnético más intenso.
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Anomalías del cromo y del cobre

La regla de Moeller funciona casi siempre, pero el cromo y el cobre, que están en los alambres, las tuberías y las monedas, tienen una configuración distinta de la que predice. ¿Por qué el átomo «prefiere» saltarse la regla?

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El cromo (Z = 24) y el cobre (Z = 29) presentan anomalías reconocidas respecto a la regla mnemotécnica habitual del diagrama de Moeller. a) Formule la configuración…

El cromo (Z = 24) y el cobre (Z = 29) presentan anomalías reconocidas respecto a la regla mnemotécnica habitual del diagrama de Moeller.

  1. a) Formule la configuración electrónica en el estado fundamental predicha por el orden de llenado estándar de Moeller para el $\mathrm{Cr}$ y el $\mathrm{Cu}$, y contraste cada una con la configuración real experimentalmente comprobada.
  2. b) Justifique la causa cuántica y energética de estas configuraciones anómalas basándose en la estabilidad asociada a los subniveles semillenos o completamente llenos y en la proximidad energética existente entre los orbitales 4s y 3d.
Resolver

Vuelva al principio: la tabla periódica tiene bloques de 2, 6, 10 y 14 columnas porque esas son exactamente las capacidades de los subniveles $s$ ($2\cdot 1$), $p$ ($2\cdot 3$), $d$ ($2\cdot 5$) y $f$ ($2\cdot 7$). Y el oxígeno, con $2p^4$, tiene electrones desapareados: por eso lo atrae un imán, mientras que el neón, con $2p^6$ completo, no.

Resumen

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