Ejercicios: Estabilidad de átomos e iones

En la naturaleza apenas se encuentran átomos aislados: salvo los gases nobles, los elementos se presentan formando compuestos o metales.

1. a) Explique qué significa que un átomo sea «estable» y qué ganan los átomos al enlazarse unos con otros.
2. b) ¿Qué ocurre con la energía del conjunto cuando los átomos forman un enlace? ¿Aumenta o disminuye?

La regla del octeto guía la química de la mayoría de los elementos.

1. a) Enúncielo con sus palabras.
2. b) ¿A qué electrones del átomo se refiere?
3. c) ¿Qué configuración alcanzan los átomos cuando la cumplen? Ponga un ejemplo de elemento que ya la posea de forma natural.

El neón ($Z = 10$) se usa en los letreros luminosos porque es un gas completamente inerte: no reacciona con nada.

1. a) Escriba su configuración electrónica.
2. b) ¿Cuántos electrones tiene en su última capa?
3. c) Explique, a partir de esa configuración, por qué los gases nobles no forman compuestos en condiciones normales.

Un elemento tiene la configuración electrónica $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^4$.

1. a) ¿Cuál es su número atómico y de qué elemento se trata?
2. b) ¿Cuántos electrones de valencia tiene?
3. c) ¿Cuántos electrones le faltan para completar el octeto?

Cuando el sodio se combina con el cloro, cada átomo de sodio cede un electrón y se convierte en el ion $\text{Na}^+$. El esquema representa la cesión del electrón.

1. a) Defina qué es un catión y qué es un anión.
2. b) Indique el signo de la carga de cada tipo de ion.
3. c) ¿Es el ion $\text{Na}^+$ un catión o un anión? Razone la respuesta.

El magnesio ($Z = 12$) reacciona perdiendo electrones y formando el ion $\text{Mg}^{2+}$.

1. a) ¿Cuántos electrones pierde cada átomo de magnesio?
2. b) ¿Cuántos electrones tiene en total el ion formado?
3. c) Escriba el proceso como una media ecuación: $\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + \ldots$ (complete el número de electrones que se liberan).

El cloro ($Z = 17$) del agua de las piscinas actúa como desinfectante y, al reaccionar, cada átomo gana un electrón formando el ion $\text{Cl}^{-}$.

1. a) ¿Cuántos electrones tiene el ion cloruro?
2. b) ¿Es un catión o un anión?
3. c) ¿Cuál es su carga eléctrica neta? Justifíquela contando protones y electrones.

Una partícula contiene $12$ protones y $10$ electrones.

1. a) Calcule su carga neta.
2. b) ¿Es un átomo neutro, un catión o un anión?
3. c) Identifique el elemento y escriba el símbolo del ion.

El cloro ($Z = 17$) y el argón ($Z = 18$) son vecinos en la tabla periódica.

1. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de cloro y la del ion $\text{Cl}^{-}$.
2. b) Compare la configuración del ion cloruro con la del átomo de argón: ¿qué observa?
3. c) Explique, usando ese resultado, por qué el cloro tiende a ganar un electrón cuando reacciona.

El aluminio ($Z = 13$) de las latas de gaseosa y el azufre ($Z = 16$) que aparece en los fósforos son elementos muy distintos, pero ambos forman iones estables.

1. a) Escriba la configuración electrónica de cada átomo.
2. b) Prediga el ion más estable que formará cada uno aplicando la regla del octeto.
3. c) Escriba la configuración de cada ion y nombre el gas noble cuya configuración reproduce.

Estas especies parecen muy distintas: $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Mg}^{2+}$ y $\text{Al}^{3+}$. Datos: $Z(\text{N}) = 7$, $Z(\text{O}) = 8$, $Z(\text{F}) = 9$, $Z(\text{Na}) = 11$, $Z(\text{Mg}) = 12$, $Z(\text{Al}) = 13$.

1. a) Calcule el número de electrones de cada especie.
2. b) ¿Qué tienen en común todas ellas?
3. c) Explique qué significa que sean isoelectrónicas e indique con qué gas noble lo son.

Un ion $\text{X}^{2-}$ tiene $18$ electrones.

1. a) ¿Cuántos electrones tiene el átomo neutro del que procede?
2. b) ¿Cuál es su número atómico? Identifique el elemento.
3. c) Escriba la configuración electrónica del átomo y la del ion.

Para abreviar las configuraciones se usa la notación del gas noble: la del potasio ($Z = 19$) se escribe $[\text{Ar}]\ 4s^1$.

1. a) Escriba su configuración electrónica completa, sin abreviar.
2. b) ¿Cuántos electrones de valencia tiene el potasio?
3. c) ¿Qué ion formará con más facilidad? Escriba su configuración y explique por qué es especialmente estable.

Los diagramas de Lewis representan los electrones de valencia como puntos alrededor del símbolo del elemento.

1. a) Indique cuántos electrones de valencia tienen el sodio ($Z = 11$), el magnesio ($Z = 12$), el oxígeno ($Z = 8$) y el cloro ($Z = 17$).
2. b) Dibuje en su cuaderno el diagrama de Lewis de cada uno de los cuatro átomos.
3. c) ¿Cuántos electrones desapareados tiene cada átomo? Relaciónelo con el número de enlaces que suele formar cada elemento.

Puede hacerlo en papel y enviar una foto con su respuesta.

Al convertirse en ion, un átomo cambia de tamaño: el radio del átomo de sodio es $186\ \text{pm}$ y el del ion $\text{Na}^{+}$, $102\ \text{pm}$; el del átomo de cloro es $99\ \text{pm}$ y el del ion $\text{Cl}^{-}$, $181\ \text{pm}$. Los cuatro tamaños se comparan a escala en la figura.

1. a) Escriba las configuraciones electrónicas de los dos átomos y de los dos iones.
2. b) Explique por qué el catión es mucho más pequeño que el átomo del que procede.
3. c) Explique por qué el anión es mucho más grande que su átomo.

El calcio ($Z = 20$), presente en los huesos y en los lácteos, forma siempre el ion $\text{Ca}^{2+}$; nunca aparece como $\text{Ca}^{+}$ ni como $\text{Ca}^{3+}$.

1. a) Escriba la configuración electrónica del átomo de calcio.
2. b) Escriba las configuraciones que tendrían los iones $\text{Ca}^{+}$, $\text{Ca}^{2+}$ y $\text{Ca}^{3+}$.
3. c) Usando la regla del octeto, justifique por qué solo el ion $\text{Ca}^{2+}$ es estable.

Las especies $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ y $\text{Mg}^{2+}$ tienen todas $10$ electrones, pero sus radios son $140\ \text{pm}$, $133\ \text{pm}$, $102\ \text{pm}$ y $72\ \text{pm}$, respectivamente. La figura compara los cuatro radios a escala.

1. a) Explique por qué, a igual número de electrones, el tamaño de la especie depende del número de protones del núcleo.
2. b) Ordene las cuatro especies de mayor a menor radio y relacione ese orden con su número atómico.
3. c) Sin más datos, prediga cuál tendrá mayor radio entre el ion $\text{N}^{3-}$ y el ion $\text{Al}^{3+}$, y justifique su predicción.

Un ion $\text{M}^{3+}$ tiene $10$ electrones.

1. a) Determine el número atómico del elemento e identifíquelo.
2. b) Escriba la configuración electrónica del átomo neutro y la del ion.
3. c) ¿Con qué gas noble es isoelectrónico el ion?
4. d) Razone por qué este elemento pierde $3$ electrones en lugar de ganar $5$ para completar el octeto.

El elemento X tiene número atómico $Z = 12$ y el elemento Y, $Z = 17$.

1. a) Escriba sus configuraciones electrónicas y prediga el ion estable que formará cada uno.
2. b) Deduzca la fórmula del compuesto iónico que forman X e Y, teniendo en cuenta que el conjunto debe ser eléctricamente neutro.
3. c) Escriba la configuración de cada ion del compuesto e indique con qué gases nobles son isoelectrónicos.

La regla del octeto tiene excepciones conocidas: en el $\text{BeCl}_2$ el berilio se queda con solo $4$ electrones a su alrededor, y en el $\text{BF}_3$ el boro, con $6$.

1. a) Dibuje en su cuaderno los diagramas de Lewis de ambas moléculas.
2. b) Explique qué significa que el berilio y el boro presenten «octeto incompleto».
3. c) En el $\text{PCl}_5$ el fósforo está rodeado por $10$ electrones («octeto expandido»): comente por qué la regla del octeto sigue siendo una guía útil aunque no sea una ley rigurosa.

Puede hacerlo en papel y enviar una foto con su respuesta.

El hidrógeno es un caso especial: puede perder su electrón y quedar como $\text{H}^{+}$, ganar uno y formar el ion hidruro $\text{H}^{-}$, o compartirlo, como en la molécula $\text{H}_2$.

1. a) Escriba la configuración electrónica de las tres especies.
2. b) ¿Con qué gas noble es isoelectrónico el ion $\text{H}^{-}$? Explique por qué para el hidrógeno la regla del octeto se convierte en una «regla del dueto».
3. c) El hidruro de sodio, $\text{NaH}$, se usa en los laboratorios como reactivo: justifique, con las configuraciones del sodio ($Z = 11$) y del hidrógeno, que esté formado por los iones $\text{Na}^{+}$ y $\text{H}^{-}$.

Redacción: «La estabilidad mueve a los átomos».

1. a) Usando las configuraciones electrónicas del sodio ($Z = 11$), el magnesio ($Z = 12$), el oxígeno ($Z = 8$) y el cloro ($Z = 17$), explique qué ion forma cada elemento y por qué.
2. b) Deduzca la fórmula de los compuestos $\text{NaCl}$, $\text{MgO}$ y $\text{MgCl}_2$ a partir de la neutralidad eléctrica del conjunto.
3. c) Concluya explicando qué papel juega la configuración de gas noble en todo el proceso de formación de iones.