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Décimo 10° · Química
Enlace químico y estructura de la materia · La tabla periódica

Estructura electrónica e interacción con la radiación electromagnética

En las fiestas de Zapote, en diciembre, los fuegos artificiales pintan el cielo de San José de rojo, verde, azul o amarillo. ¿Por qué cada sal da su propio color y nunca otro? La respuesta está en cómo se acomodan los electrones dentro del átomo, y de ahí sale también la forma de la tabla periódica.

Espectros atómicos: la huella de cada elemento

Si la luz de un bombillo de filamento pasa por un prisma, se ve un arcoíris continuo. Si pasa la luz de un tubo de hidrógeno, solo se ven unas pocas líneas de colores sobre fondo negro. ¿Por qué un gas no emite todos los colores?

Comparación entre el espectro continuo de un bombillo, con todos los colores sin interrupción, y el espectro de líneas de una lámpara de hidrógeno, con solo tres líneas aisladas sobre fondo oscuro bombillo de filamento (espectro continuo) lámpara de hidrógeno (espectro de líneas) violeta azul-verdosa roja Zonas oscuras: longitudes de onda no emitidas

Que cada elemento tenga siempre su mismo patrón de líneas significa que sus electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía fijos. Es una huella dactilar atómica: así se sabe de qué está hecha una estrella sin traer una muestra.

Niveles de energía n=1, 2 y 3 de un átomo: una flecha hacia arriba muestra la absorción de un fotón y una flecha hacia abajo la emisión de un fotón n = 1 n = 2 n = 3 absorbe energía emite un fotón al bajar

Dos consecuencias importantes. Primero, un elemento absorbe justo las mismas longitudes de onda que es capaz de emitir, porque los saltos posibles son los mismos (subir o bajar). Segundo, por eso los espectros de absorción de las estrellas, con líneas oscuras, revelan su composición.

Un ejemplo cotidiano: las luminarias de vapor de sodio de algunas calles y carreteras dan luz casi de un solo color (amarillo), porque el sodio solo emite unas pocas líneas. Bajo esa luz los carros pierden su color: no hay otras longitudes de onda que puedan reflejar.

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El número del último nivel ocupado por los electrones coincide con el periodo del elemento en la tabla. a) ¿En qué periodo está un átomo cuya configuración termina en…

El número del último nivel ocupado por los electrones coincide con el periodo del elemento en la tabla.

  1. a) ¿En qué periodo está un átomo cuya configuración termina en $3s^1$? ¿De qué elemento se trata?
  2. b) ¿Y en qué periodo está uno cuya configuración termina en $2p^5$? Identifíquelo con ayuda de la tabla.
Resolver

La energía de un fotón (Planck)

En el interactivo $\lambda$ y la frecuencia se mueven por separado, pero en la luz están atadas: su producto siempre es $c$. Si acorta $\lambda$ a la mitad, la frecuencia se duplica. Por eso un fotón ultravioleta ($\lambda$ corta) es más energético que uno de luz roja ($\lambda$ larga).

Practica★☆☆Sin empezar
Los electrones del último nivel, llamados electrones de valencia, determinan el grupo del elemento. a) ¿Cuántos electrones de valencia tiene un átomo cuya configuración…

Los electrones del último nivel, llamados electrones de valencia, determinan el grupo del elemento.

  1. a) ¿Cuántos electrones de valencia tiene un átomo cuya configuración termina en $3s^2 3p^4$? ¿A qué grupo pertenece?
  2. b) ¿Y uno cuya configuración termina en $3s^2 3p^3$? Nombre ambos elementos.
Resolver

Del átomo de Bohr al modelo cuántico

El modelo de Bohr, con electrones en órbitas circulares, explica bien el hidrógeno, pero falla con átomos de más electrones. Louis de Broglie propuso que el electrón también se comporta como una onda, y Erwin Schrödinger describió esa onda con una ecuación. Su solución sustituye las órbitas por orbitales: regiones donde es muy probable encontrar al electrón.

Comparación del modelo de Bohr, con un electrón en una órbita circular, y del modelo cuántico, con una nube de probabilidad alrededor del núcleo modelo de Bohr modelo cuántico electrón órbita con trayectoria exacta nube de probabilidad (orbital) más densa = más probable

Lo único que necesita de este modelo para las secciones que siguen es cuántos electrones caben en cada subnivel.

Practica★☆☆Sin empezar
El orden de llenado de los subniveles es $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, con capacidades máximas de $2$ electrones en cada subnivel s y $6$ en cada subnivel p, como…

El orden de llenado de los subniveles es $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, con capacidades máximas de $2$ electrones en cada subnivel s y $6$ en cada subnivel p, como muestra el diagrama:

1s 2s 2p 3s 3p máx. 2 máx. 2 máx. 6 máx. 2 máx. 6 orden de llenado
  1. a) Escriba la configuración electrónica del nitrógeno ($Z = 7$).
  2. b) Escriba la configuración electrónica del magnesio ($Z = 12$).
Resolver

Configuración electrónica

La configuración electrónica se escribe en el sistema nlx: $n$ es el nivel, $l$ la letra del subnivel y $x$ el número de electrones. Por ejemplo, $2p^4$ son 4 electrones en el subnivel $2p$. El sodio ($Z=11$) es $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$.

Los subniveles se llenan siguiendo las diagonales (regla de Moeller), cada uno hasta su capacidad: $1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s\dots$ El $4s$ tiene menos energía que el $3d$, así que se llena antes. Por ejemplo, el hierro ($Z=26$) es $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6$, que se abrevia $[\text{Ar}]\ 4s^2\ 3d^6$.

El período es el número del último nivel ocupado, y los electrones de valencia (los del último nivel) fijan el grupo. Por ejemplo, $3s^2 3p^4$ tiene 6 electrones de valencia y está en el período 3: es el azufre.

Iones: parecerse al gas noble más cercano

Un átomo puede ganar o perder electrones hasta quedar con la distribución del gas noble más cercano, que es muy estable (8 electrones en el último nivel). Los elementos con pocos electrones de valencia tienden a perderlos y forman cationes. Los que tienen casi completo el último nivel tienden a ganar y forman aniones.

  • Un átomo que pierde electrones queda con carga positiva (catión) y uno que los gana, con carga negativa (anión).

  • El Na ($1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$) pierde su único electrón de valencia y forma $\text{Na}^+$: $1s^2 2s^2 2p^6$, igual que el neón.

  • El Cl ($[\text{Ne}]\ 3s^2 3p^5$) gana un electrón y forma $\text{Cl}^-$: $[\text{Ne}]\ 3s^2 3p^6$, igual que el argón.

  • Regla práctica: con 1, 2 o 3 electrones de valencia el átomo suele perderlos (cargas $1+$, $2+$, $3+$); con 7 o 6 suele ganar 1 o 2 (cargas $1-$, $2-$).

Las especies con el mismo número de electrones se llaman isoelectrónicas: Ar, $\text{K}^+$ y $\text{Ca}^{2+}$ tienen 18 electrones.

Practica★★☆Sin empezar
a) Escriba la configuración electrónica de los iones $\text{Na}^{+}$ ($Z = 11$) y $\text{Cl}^{-}$ ($Z = 17$) y compruebe que cada una coincide con la de un gas noble:…
  1. a) Escriba la configuración electrónica de los iones $\text{Na}^{+}$ ($Z = 11$) y $\text{Cl}^{-}$ ($Z = 17$) y compruebe que cada una coincide con la de un gas noble: ¿de cuáles se trata?
  2. b) El argón, el ion $\text{K}^{+}$ ($Z = 19$) y el ion $\text{Ca}^{2+}$ ($Z = 20$) tienen el mismo número de electrones: ¿cuántos? ¿Cómo se llama a las especies que tienen el mismo número de electrones?
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Practica★★☆Sin empezar
Tras el subnivel $3p$ se llena el $4s$ antes que el $3d$, como muestra el diagrama de energías: Capacidades máximas: s, $2$ electrones; p, $6$; d, $10$. a) Escriba las…

Tras el subnivel $3p$ se llena el $4s$ antes que el $3d$, como muestra el diagrama de energías:

E 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4s antes que 3d

Capacidades máximas: s, $2$ electrones; p, $6$; d, $10$.

  1. a) Escriba las configuraciones electrónicas del potasio ($Z = 19$) y del calcio ($Z = 20$).
  2. b) Escriba la configuración electrónica del hierro ($Z = 26$), teniendo en cuenta que tras llenarse el $4s$ empieza a llenarse el $3d$.
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Practica★★☆Sin empezar
La configuración electrónica abreviada de un elemento es $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^{10} 4p^5$. a) Sume los electrones para obtener su número atómico e identifique el…

La configuración electrónica abreviada de un elemento es $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^{10} 4p^5$.

  1. a) Sume los electrones para obtener su número atómico e identifique el elemento con la tabla.
  2. b) ¿Cuántos electrones de valencia tiene? ¿Qué ion tiende a formar? Justifíquelo pensando en la configuración del gas noble siguiente.
Resolver

Del elemento a su grupo y su reactividad

La tabla tiene 18 grupos (en la numeración antigua, IA a VIIIA y los grupos B). Para ubicar un elemento solo importan los electrones del último nivel: los $d$ de niveles interiores no cuentan como valencia.

Los elementos del grupo 1 (alcalinos, como Li, Na, K, Rb) tienen un solo electrón de valencia, lejos del núcleo y fácil de perder: forman cationes $1+$ y reaccionan con el agua. Cuanto más abajo en el grupo, más fácil es perder ese electrón y más violenta la reacción.

Practica★★☆Sin empezar
Un elemento tiene configuración electrónica $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^3$. a) ¿Cuál es su número atómico? ¿Qué elemento es? b) ¿En qué periodo y en qué…

Un elemento tiene configuración electrónica $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^3$.

  1. a) ¿Cuál es su número atómico? ¿Qué elemento es?
  2. b) ¿En qué periodo y en qué grupo de la tabla está ubicado? Justifique ambas respuestas a partir de su configuración.
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Practica★★★Sin empezar
Un elemento tiene número atómico $Z = 37$. a) Escriba su configuración electrónica (orden de llenado: $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$, $5s$). b) Deduzca…

Un elemento tiene número atómico $Z = 37$.

  1. a) Escriba su configuración electrónica (orden de llenado: $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$, $5s$).
  2. b) Deduzca su periodo y su grupo, e identifique el elemento con ayuda de la tabla.
  3. c) Prediga, justificándolo a partir de la configuración: cuántos electrones de valencia tiene, qué ion forma con más facilidad y si reaccionará violentamente con el agua.
Resolver

Excepciones: subniveles semillenos y llenos

La regla de las diagonales acierta casi siempre, pero algunos elementos de transición «hacen trampa»: un electrón del $4s$ pasa al $3d$ para dejarlo semilleno ($d^5$) o lleno ($d^{10}$), disposiciones especialmente estables.

Diagrama de cajas del cromo: la configuración esperada 4s² 3d⁴ frente a la real 4s¹ 3d⁵, con el 3d semilleno 4s 3d Esperada: 4s² 3d⁴ un electrón pasa de 4s a 3d Real (más estable): 4s¹ 3d⁵ 3d semilleno (d⁵)
Practica★★★Sin empezar
El hierro ($Z = 26$) tiene configuración electrónica $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^6$. a) Los átomos pierden primero los electrones del nivel más alto: escriba la configuración…

El hierro ($Z = 26$) tiene configuración electrónica $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^6$.

  1. a) Los átomos pierden primero los electrones del nivel más alto: escriba la configuración del ion $\text{Fe}^{2+}$ y la del ion $\text{Fe}^{3+}$.
  2. b) Un subnivel semilleno es especialmente estable: ¿qué configuración alcanza el $\text{Fe}^{3+}$ en su subnivel $3d$? Use ese hecho para justificar que el $\text{Fe}^{3+}$ sea tan abundante en la naturaleza (el óxido y muchos minerales de hierro lo contienen).
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Practica★★★Sin empezar
Según el orden de llenado habitual, el cromo ($Z = 24$) debería tener configuración $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^4$ y el cobre ($Z = 29$), $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^9$. En…

Según el orden de llenado habitual, el cromo ($Z = 24$) debería tener configuración $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^4$ y el cobre ($Z = 29$), $[\text{Ar}]\ 4s^2 3d^9$. En realidad, sus configuraciones son $[\text{Ar}]\ 4s^1 3d^5$ y $[\text{Ar}]\ 4s^1 3d^{10}$, respectivamente. El diagrama de cajas muestra el caso del cromo:

4s 3d esperada real salta un electrón
  1. a) Compare las configuraciones «esperada» y «real» de cada elemento: ¿cuántos electrones hay en el subnivel $3d$ en cada caso?
  2. b) Los subniveles semillenos ($d^5$) y llenos ($d^{10}$) son especialmente estables: use ese dato para explicar las dos configuraciones reales.
  3. c) ¿Qué nos enseña este ejemplo sobre la diferencia entre una regla de llenado sencilla y la estructura electrónica real de los átomos?
Resolver

Vuelva al principio: el color de cada sal de los fuegos artificiales es la huella de sus saltos entre niveles de energía: al calentarse, los electrones suben y, al regresar, emiten fotones de energías propias de cada elemento. Y las capacidades de los subniveles ($2$, $6$, $10$, $14$) están detrás de la forma de la tabla, con sus bloques s, p, d y f.

Resumen

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