2 Ordenación periódica de los elementos ACTIVIDADES 1.
Clasifica, según Berzelius, los los siguientes siguientes elementos: elementos: cobre, cobre, oxígeno, plata, helio, nitrógeno, litio y calcio .
Metales: cobre, plata, litio y calcio. No metales: oxígeno, helio y nitrógeno.
2.
Los siguientes siguientes elementos forman tríadas tríadas de Döbereiner. Sabiendo Sabiendo que sus masas atómicas son las que aparecen entre paréntesis, construye las tríadas correspondientes. a) yodo (127) – cloro (26) – bromo (80) b) selenio (79) – azufre (32) – teluro teluro (128)
Sabiendo que en las tríadas la masa del elemento central es aproximadamente igual a la media aritmética de las masas de los elementos que posee a ambos lados: a) cloro – bromo – yodo b) azufre – selenio – teluro
3.
El cloro es un elemento que se encuentra en la tabla periódica debajo del flúor. Su nombre proviene proviene del griego cloros, que significa amarillo verdoso, color del elemento en estado gaseoso. Fijándote en la tabla periódica, ¿sabrías decir si para el cloro se cumple la ley de las octavas de Newlands?
Sí, ya que desde el flúor al cloro hay ocho elementos. Sin embargo, el siguiente elemento con propiedades parecidas al cloro es el bromo. Asignando al cloro el número 1, el bromo sería el 18 y no el 8, por lo que ya no se cumpliría la ley de las octavas. Esto se debe a la existencia de los metales de transición.
4.
¿A qué qué se deben las irregularidades irregularidades en las las tablas tablas periódicas periódicas de Meyer Meyer y Mendeléiev?
Las irregularidades en las tablas de L. Meyer y D. I. Mendeleiev se deben a que ordenaron los elementos químicos de acuerdo a su masa atómica creciente y no a su número atómico. Las propiedades de los elementos son función periódica de sus números atómicos.
5.
En 1871, Mendeléiev predijo predijo la existencia de un nuevo elemento al que denominó denominó eka-aluminio. eka-aluminio. Busca información sobre las propiedades predichas por Mendeléiev y las obtenidas experimentalmente por su descubridor, Lecoq.
Es el galio. 6.
Justifica, con algún ejemplo, la falsedad de la siguiente afirmación: afirmación: “En la clasificación periódica de Mendeléiev, los elementos se colocan por masas atómicas crecientes”.
Es falso, ya que Mendeléiev, además de colocar los elementos por masas atómicas crecientes, tiene en cuenta sus propiedades, lo que le llevó a invertir las posiciones de algunos elementos, como el cobalto y el níquel.
7.
Basándote en el código de colores de la tabla periódica de la figura 2.4, justifica por qué la clasificación de Berzelius no es práctica.
No es útil porque el número de elementos metálicos es muy elevado. 8.
Sitúa en la tabla periódica los elementos: flúor, cesio, galio, magnesio, magnesio, bromo, potasio, cloro y fósforo. fósforo. Haz una lista con todos los que pertenecen al mismo período y otra con los que pertenecen al mismo grupo.
Pertenecen al mismo período: magnesio, cloro y fósforo (tercer período), y bromo, galio y potasio (cuarto). Pertenecen al mismo grupo: flúor, cloro y bromo (halógenos), y potasio y cesio (alcalinos).
32 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos
9.
¿Cuál es el número de electrones de valencia para los elementos magnesio y oxígeno? 2
El magnesio pertenece al grupo de los alcalinotérreos, por lo que su configuración electrónica externa es ns . Siendo estos dos electrones los de valencia. 2
4
El oxígeno pertenece al grupo de los anfígenos (ns np ), por lo que posee seis electrones de valencia.
10.
2
2
6
2
Razona la veracidad de la siguiente afirmación: “La configuración electrónica del argón es 1 s 2 s 2 p 3 s 6 3 p , lo que indica que no posee electrones libres; es decir, tiene 0 electrones de valencia”.
Falso. Los electrones de valencia son los de la última capa, en este caso n = 3. Existen, por tanto, ocho electrones de valencia.
11.
2
2
6
2
6
2
Indica razonadamente qué elemento posee la siguiente configuración electrónica: 1 s 2s 2 p 3s 3 p 4s 10 4 3d 4 p . ¿A qué grupo de la tabla periódica pertenece?
Pertenece al cuarto período y al grupo de los anfígenos; es el selenio. 12.
1
La capa de valencia de un elemento es del tipo ns . No es un elemento metálico y es el más ligero que existe. ¿De qué elemento se trata?
Se trata del hidrógeno. 13.
Dados los elementos Na, C, Si y Ne, ordénalos en orden creciente de radio atómico. Justifica esa ordenación.
Los átomos de Ne y C son más pequeños que los de Si y Na, ya que los primeros pertenecen al segundo período, y los otros, al tercero. Además, el tamaño disminuye con el aumento de la carga nuclear. Ne < C < Si < Na
14.
Ordena los elementos F, Ca, Rb, Sr y Cr por orden creciente de radio atómico.
El radio atómico aumenta al movernos en la tabla periódica hacia abajo y hacia la izquierda. Así: F < Cr < Ca < Sr < Rb
15.
Ordena de mayor a menor los radios de: cloro atómico, ion cloruro e ion cloro(3+). Justifica tu respuesta. Dato: Z (Cl) = 17
Al ser iones del mismo elemento, su número atómico, o lo que es igual, su carga nuclear, no varía. Con esta premisa, cuanto menor sea el número de electrones, con más fuerza serán atraídos los que quedan y, por tanto, menor será el tamaño de la especie química. 3+
Cl < Cl < Cl−
16.
Dos elementos A y B poseen de número atómico 17 y 22, respectivamente. Basándote en su configuración electrónica: a) Identifica los elementos. b) ¿Qué carga debe adquirir cada uno para que el ion formado sea isoelectrónico con el gas noble intermedio? c) ¿Cuál tiene mayor radio iónico? a) Al ser átomos neutros, el número de electrones coincide con el número atómico. Así, A posee 17 electrones, 2 5 siendo su configuración electrónica: [Ne] 3s 3 p . Es el halógeno del tercer período, Cl. 2
2
B posee 22 electrones, [Ar] 4s 3d es el segundo de los metales de transición del cuarto período, Ti. b) El gas noble al que se hace referencia es el argón. Para conseguir el cloro la configuración del mismo, debe ganar un electrón, mientras que el titanio debe perder 4. 2
6
Cl−: [Ne] 3s 3 p = [Ar] 4+
Ti : [Ar] c) Ambos iones son especies isoelectrónicas, pero la carga nuclear del titanio es mayor que la del cloro; por ello el radio del ion titanio(4+) es menor que el del ion cloruro.
Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 33
17.
La primera energía de ionización del azufre es menor que la del fósforo. Basándote en sus configuraciones electrónicas, razona este hecho.
Ambos elementos pertenecen al tercer período. El azufre es un anfígeno, y el fósforo, un nitrogenoideo. Sus configuraciones electrónicas son: 2
3
2
4
P (Z = 15): [Ne] 3s 3 p y S (Z = 16): [Ne] 3s 3 p
El S está a la derecha del P, por lo que su energía de ionización debería ser mayor; pero el P tiene el subnivel p semilleno, lo que le proporciona una cierta estabilidad, similar a la que alcanzaría el azufre si perdiera el cuarto electrón del subnivel 3 p. Por ello, la primera energía de ionización del azufre es menor que la del fósforo.
18.
1
Justifica por qué la I 1 del litio es menor que la del berilio (520 y 900 kJ mol , respectivamente); mientras 1 que en las segundas energías de ionización el orden es inverso (7298 y 1757 kJ mol ).
La pérdida de un electrón del litio proporciona a éste la configuración electrónica del helio lo que hace que la + especie Li sea muy estable, y por ello, la primera energía de ionización pequeña. Esto mismo le pasa al berilio 2+ cuando pierde su segundo electrón formando el Be , por lo que la I 2 del mismo es baja. Mientras que “arrancar” el segundo electrón al litio hace que se pierda la configuración del gas noble; de ahí que se requiera gran energía (I 2 elevada).
19.
Clasifica los elementos Br, K, Se y Cl por afinidades electrónicas crecientes.
La afinidad electrónica aumenta al movernos hacia la derecha y hacia arriba en la tabla periódica; por ello las afinidades electrónicas varían: K < Se < Br < Cl
20.
Discute la veracidad de la siguiente afirmación: “El cloro tiene mayor electroafinidad que el calcio”.
Verdadero, si consideramos la electroafinidad o afinidad electrónica en valor absoluto. El cloro es un no metal, concretamente un halógeno, y presenta una mayor tendencia a coger electrones que el calcio, que es un metal.
21.
−1
La afinidad electrónica del yodo es 295 kJ mol . Calcula la energía liberada al ionizar 253,8 g de átomos de yodo, que se encuentran en estado fundamental. Dato: masa atómica del I: 126,9 g mol
−1 -1
I(g) + e− → I−(g) A1 = − 295 kJ mol E
22.
=n
A
=
m matómica
−1 (−295 kJmol ) = − 590 kJ 126,9 g mol
(−295 kJmol−1) =
253,8 g
−1
Teniendo en cuenta solamente su posición en la tabla periódica, ordena los elementos F, Ca, Cs y As por orden creciente de electronegatividad.
La electronegatividad aumenta al movernos en el sistema periódico hacia arriba y hacia la derecha. Cs – Ca – As – F
23.
Cuanto mayor sea la electronegatividad de un elemento, más fácil es que forme un ion. ¿De qué tipo?
Formará aniones, que son iones con carga negativa.
24.
Se tienen dos elementos, de configuraciones electrónicas: 2
[Ar] 4s 2
5
[Ne] 3s 3 p
¿Sabrías decir cuál es más electronegativo? Justifica la respuesta.
Por sus configuraciones electrónicas externas, sabemos que el primero es el calcio (metal alcalinotérreo), y el segundo, el cloro (halógeno). El más electronegativo es este último.
34 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos
25.
De los siguientes elementos: litio, potasio, magnesio, cobre o hierro, ¿cuál posee mayor carácter metálico?
El carácter metálico aumenta al movernos hacia abajo y hacia la izquierda; por lo que conocidas las posiciones de todos los elementos en la tabla periódica, el que posee mayor carácter metálico es el potasio.
26.
El elemento de Z = 20 se combina fácilmente con otro de Z = 17. Basándote en sus configuraciones electrónicas, justifica el tipo de sustancia que se formará. 2
Z = 20, [Ar] 4s , es el alcalinotérreo del cuarto período: Ca. 2
5
Z = 17, [Ne] 3s 3 p , es el halógeno del tercer período: Cl.
El primero es un metal, y el segundo, un no metal. Dada su diferencia de electronegatividad, se formará un enlace iónico, proporcionando cloruro de calcio (CaCl2).
27.
Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre dos átomos que se unen, mayor será el carácter iónico de la sustancia formada. Basándote en las configuraciones electrónicas siguientes: 2
2
6
2
2
5
2
2
6
1
2
2
4
A: 1s 2s 2 p ; B: 1s 2s 2 p ; C: 1 s 2s 2 p 3s ; D: 1s 2s 2 p a) ¿Cuáles son metales y cuáles no lo son? b) Señala dos elementos que den una sustancia iónica, justificando tu respuesta.
c) De todas las especies químicas dadas, ¿cuál es la que posee mayor poder oxidante? a) Son no metales: A (gas noble), B (halógeno) y D (anfígeno). El único metal es C (alcalino). b) Se obtiene una sustancia iónica al unirse dos elementos de electronegatividades muy diferentes (un metal y un no metal). Por ejemplo, al unirse B y C. B es el flúor, y C, el sodio: NaF. c) El poder oxidante aumenta al movernos hacia la derecha y hacia arriba, por ello la de mayor poder oxidante es la especie B (flúor).
Desarrollo histórico de la tabla periódica 28.
Berzelius sustituyó los símbolos de Dalton por una notación química en la que el elemento se representaba con la primera o las dos primeras letras de su nombre en latín, según se observa en el dibujo. ¿Qué ventajas crees que supuso esto?
Se simplificó notablemente la forma de representar las sustancias y con una lógica mayor que la de los dibujos. Es suficiente con pensar en la representación, por ejemplo, de la molécula agua: H2O, mientras que empleando los dibujos de los átomos de Dalton debería ser:
Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 35
29.
Observa las siguientes fotografías e indica, razonadamente, si se trata de un metal o de un no metal, según cada caso. a)
b)
c)
d)
El primero y el segundo son metales, ya que poseen el brillo característico de este tipo de elementos. La ausencia del mismo en el tercero y el cuarto demuestra que estos son no metales.
30.
Hasta hace relativamente poco, todos los termómetros empleaban como líquido termométrico, el mercurio. ¿Podrías explicar por qué se emplea un metal para tal fin? Sin embargo, en la actualidad, debido a su elevada toxicidad, se ha sustituido por galio en los termómetros de alta temperatura, como son los que tenemos en nuestras casas. ¿Por qué solamente para los de alta temperatura?
El uso de los metales se debe a que estos elementos alcanzan rápidamente el equilibrio térmico, además de sufrir dilatación térmica. Al aumentar el volumen con la temperatura, el mercurio, metal líquido, asciende por el tubo. Se hace corresponder ese aumento de volumen con un valor de la temperatura calibrando así el termómetro. El uso del galio para termómetros a alta temperatura se debe a que este elemento posee una temperatura de fusión de 29,78 ºC, permaneciendo en estado sólido por debajo de esta.
31.
En 1871, Mendeléiev sugirió que debería haber un elemento entre el torio y el uranio. En efecto, existe ese elemento. Investiga sobre su historia; ¿en qué sentido la predicción de Mendeléiev estaba equivocada? ¿Persiste esta anomalía en la ordenación de Moseley?
Se trata del protactinio. La masa de este elemento es menor que la del torio, por lo que debería aparecer antes que este; sin embargo, su número atómico, que es una unidad mayor, indica que debe ir después de dicho elemento. Por tanto, en la ordenación de Moseley ya no persiste la anomalía al colocarse los elementos por Z crecientes.
32.
Razona con un ejemplo que avale tu respuesta, la veracidad de la siguiente afirmación: “Si el elemento cabecera de un grupo es un no metal, todos los demás elementos del mismo grupo también serán no metales”.
Falso. Por ejemplo, en el grupo de los carbonoideos, el carbono, primer elemento, es no metal, mientras que el estaño y el plomo son metales.
33. Clasifica los siguientes elementos en metales, no metales o semimetales. a) Elemento situado en el grupo 8. b) Su símbolo es Pb. c) Superficie sin lustre. d) Conduce la electricidad solamente bajo ciertas condiciones. a) Es un metal, concretamente de transición. b) Es metal, el plomo. c) Es no metal, ya que no posee el brillo característico de los metales llamado lustre. d) Es un semimetal.
36 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos
Configuración electrónica y periodicidad 34. Considera los elementos H ( Z = 1), O ( Z = 8) y F (Z = 9). Escribe sus configuraciones electrónicas e indica el grupo y período al que pertenece cada uno de ellos. 1
1
H: 1s ; pertenece al primer período (n = 1) y al grupo de los alcalinos (ns ), aunque la posición del hidrógeno es un problema. 2
4
2
4
2
5
2
5
O: [He] 2s 2 p ; pertenece al segundo período (n = 2) y al grupo de los anfígenos (ns np ). F: [He] 2s 2 p ; pertenece al segundo período (n = 2) y al grupo de los halógenos (ns np ).
35. Se tienen cinco elementos: A ( Z = 13), B (Z = 30), C (Z = 3), D ( Z = 19) y E ( Z = 37). Justifica razonadamente cuáles pertenecen al mismo grupo.
Basándote en su configuración electrónica externa, se deduce el grupo y período al que pertenece. Al ser átomos neutros, el número atómico coincide con el número de electrones. Así: 2
1
2
1
A: [Ne] 3s 3 p ; pertenece al grupo de los térreos (ns np ). 2
10
1→10
B: [Ar] 4s 3d ; pertenece al grupo de los metales de transición ((n - 1) d 1
).
1
C: [He] 2s ; pertenece al grupo de los alcalinos (ns ). 1
1
1
1
D: [Ar] 4s ; pertenece al grupo de los alcalinos (ns ). E: [Kr] 5s ; pertenece al grupo de los alcalinos (ns ). Por tanto, pertenecen al mismo grupo: C, D y E.
36. Basándote en la posición del cuarto elemento alcalinotérreo: a) Establece su configuración electrónica. b) Razona el valor de su número atómico. c) Su ion dipositivo, posee la misma configuración electrónica que el argón. ¿De qué elemento se trata? 2
2
2
6
a) Al ser el cuarto elemento alcalinotérreo, n es igual a 4 y su capa de valencia es ns . Por tanto, 1s 2s 2 p 3 s 6 2 3 p 4s .
2
b) Al ser un elemento, se trata de un átomo neutro, por lo que el número de electrones (suma de los superíndices de la configuración electrónica) coincide con el número de protones y, por tanto, con el número atómico (Z) . Z = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 = 20. c) El elemento es el calcio.
37. Durante un invierno especialmente frío en San Petersburgo, los tubos del órgano de la catedral, hechos de estaño, se “deshicieron”. Esto se debe a que el estaño blanco (forma corriente del mismo), a bajas temperaturas, se transforma en estaño gris, que presenta la característica de ser quebradizo. Si en algún punto se forma estaño gris, este actúa como germen propagándose; de ahí que se le llame peste del estaño . a) Justifica el período y grupo al que pertenece ( Z = 50). 2+
4+
b) ¿Son estables los iones Sn y Sn ? ¿Por qué? a) Al ser un átomo neutro, Z coincide con el número de electrones. Siguiendo el diagrama de Möller se obtiene la 2 10 2 siguiente configuración electrónica: Sn: [Kr] 5s 4d 5 p . Pertenece, por tanto, al quinto período (n = 5) y al 2 2 grupo de los carbonoideos (ns np ). b) Sí son estables ambos iones, ya que en sus configuraciones electrónicas todos los subniveles están completos. 2+
2
10
4+
10
Sn : [Kr] 5s 4d y Sn : [Kr] 4d
38. El potasio interviene en la transmisión del impulso nervioso (bomba sodio-potasio). Fíjate en su masa atómica y en la del argón, y según esta propiedad, ¿cómo deberían estar colocados ambos elementos? ¿Por qué crees que se invierten sus posiciones?
La masa atómica del potasio es menor que la del argón, por lo que debería estar antes el potasio. Sus posiciones se invierten porque, si no estos elementos no tendrían propiedades comunes con los del resto del grupo.
Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 37
Tendencias periódicas en el tamaño atómico e iónico 39. El radio atómico del fósforo es 0,11 nm. ¿Cómo crees que será el del átomo de cloro, mayor o menor? Será menor, ya que los dos electrones de diferencia entran en el mismo nivel energético (n = 3) y la carga nuclear del cloro es mayor que la del fósforo. El radio atómico disminuye al movernos hacia la derecha en un período.
40.
Escribe la configuración electrónica del ion mercurio(2+). ¿Coincide con la de un átomo cuyo número atómico sea dos unidades inferior al mercurio? ¿Por qué?
Sabiendo que el mercurio pertenece al grupo 12 y al sexto período, su configuración electrónica es 2 14 10 Hg: [Xe] 6s 4f 5d . En el ion mercurio(2+) se pierden los electrones de valencia, que son los del subnivel 6s; 2+ 14 10 siendo su configuración electrónica Hg : [Xe] 4f 5d . Esta configuración no coincide con la del elemento dos unidades inferior de número atómico (Pt), porque en este los dos electrones que los diferencian son lo s del subnivel 5d . 2
14
8
Pt: [Xe] 6s 4f 5d
41.
2
+
2+
Los iones S , Cl , K y Ca tienen cada uno 18 electrones. a) Sitúalos en el sistema periódico. b) Indica cuántos protones posee cada uno. c) Razona cuál tiene mayor y cuál menor radio iónico. d) Deduce cuál de los átomos correspondientes (S, Cl, K y Ca) tiene el mayor radio atómico. a) El azufre es el segundo de los anfígenos (tercer período, grupo 16); el cloro, el segundo de los halógenos (tercer período, grupo 17); el potasio es el cuarto alcalino contando con el hidrógeno (cuarto período, grupo 1), y el calcio, el tercer alcalinotérreo (cuarto período, grupo 2). b) Sabiendo que en el sistema periódico los elementos se colocan por Z creciente y que el primer período está formado por dos elementos y el segundo y t ercero por ocho, tenemos que el número d e protones (Z) es:
S: 2 + 8 + 6 = 16; Cl: 2 + 8 + 7 = 17; K: 2 + 8 + 8 + 1 =19 y Ca: 2 + 8 + 8 + 2 = 20 c) Todos los iones son especies isoelectrónicas que poseen la configuración electrónica del gas noble argón. El tamaño de estos iones es menor cuanto mayor es la carga nuclear, o lo que es igual, el número atómico: 2+
+
2
Ca < K < Cl < S
d) Sabiendo que el radio atómico aumenta al movernos hacia abajo y hacia la izquierda en la tabla periódica, el de mayor radio atómico es el potasio.
42.
Ordena los siguientes elementos por orden creciente de radio atómico, justificando la respuesta: Na, Mg, Si y Cl.
El radio atómico aumenta al descender en un grupo, ya que se inauguran nuevos niveles energéticos que están más alejados del núcleo y al movernos hacia la izquierda en un período, ya que es en ese sentido en el que disminuye la carga nuclear (Z ). Si Z disminuye, el electrón es atraído con menos fuerza, por lo que es más voluminoso. Teniendo en cuenta que todos los elementos dados pertenecen al tercer período: Cl < Si < Mg < Na
43.
Uno de los compuestos típicos empleados como tinta invisible es el cloruro de cobalto(II) hexahidratado. Esta sal, de color rosa pálido, al calentarse pierde el agua adquiriendo color azul. CoCl2 · 6 H2O
∆
→ ← CoCl2
¿Podrías establecer la relación que existe entre los tamaños de este elemento y los dos iones que forma 2+ 3+ (Co y Co )?
Puesto que el cobalto es un metal, únicamente formará cationes. El volumen del átomo neutro siempre será mayor que cualquiera de sus cationes, porque al eliminar electrones sin variar la carga nuclear, aumenta la atracción y disminuye el volumen.
38 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos
44.
45.
Ordena los siguientes tríos de elementos por orden decreciente de radio atómico. a) F, Br, I
c) Mg, S, Si
b) K, O, Al
d) Kr, Ne, Xe
a) I > Br > F
c) Mg > Si > S
b) K > Al > O
d) Xe > Kr > Ne
2
2
6
2
2
2
4
1
Se tienen tres elementos de configuraciones electrónicas: A: 1 s 2s 2 p 3s ; B: 1 s 2s 2 p ; C: [Ar] 4 s . Basándote en ellas: a) Identifica cada elemento. b) Justifica cuál posee mayor radio atómico. 2+
2
c) ¿Cuál tendrá menor radio iónico: A o B ? ¿Por qué? a) Fijándonos en la configuración electrónica externa, se sabe que: 2
A pertenece al segundo período y es un alcalinotérreo (3s ); se trata del magnesio. 2
4
B pertenece al segundo período y al grupo de los anfígenos (2s 2 p ); es el oxígeno. 1
C pertenece al cuarto período y al grupo de los alcalinos (4s ); es el potasio. b) El que posee mayor radio atómico es el C, ya que es el que pertenece al cuarto período y el radio atómico aumenta al descender en un grupo y movernos hacia la izquierda en un período. 2+
c) Ambos iones son especies isoelectrónicas. Z A es mayor que Z B; por lo que el radio del catión (A ) será menor 2 que el del anión (B ). Al ser la carga nuclear de B menor que la de A, los electrones en el anión son atraídos con menos fuerza por el núcleo.
46.
Razona por qué dos especies isoelectrónicas no tienen el mismo tamaño y ordena de mayor a menor radio: ion sulfuro, ion cloruro, ion calcio(2+) y argón.
No tienen el mismo tamaño porque aunque poseen el mismo número de electrones (isoelectrónicas), no tienen el mismo número de protones (Z ). Los electrones son atraídos con más fuerza en el caso de la especie que posee mayor número atómico, siendo menor su tamaño. 2
2+
Basándonos en el razonamiento anterior y conocida su posición su en la tabla periódica: S > Cl >Ar > Ca .
47.
Discute la veracidad de la siguiente afirmación y pon un ejemplo que avale tu respuesta: “Cuanto mayor es el número atómico de un elemento, menor es su radio atómico”.
Falso. A mayor número atómico, menor radio, si n os movemos en un mismo grupo. Sin embargo, al avanzar en un mismo período, al aumentar Z , disminuye el radio, ya que los electrones entran en el mismo nivel energético. Por ejemplo, el radio del nitrógeno es menor que el del litio.
48.
El carbono-14 es un isótopo radiactivo empleado para datar la edad de los fósiles. ¿Qué relación existirá entre los tamaños del átomo de carbono neutro, del ion carbono(4+) y del ion carburo(4−)? 6C
2
2
2
(átomo neutro) tiene seis protones y seis electrones; su configuración es 1s 2s 2 p .
4+ 6C (catión 46C (ion
2
carbono(4+)) tiene seis protones y dos electrones; su configuración es 1s . 2
2
6
carburo) tiene seis protones y 10 electrones, su configuración es 1s 2s 2 p .
El tamaño de los aniones es mayor que el de su respectivo átomo neutro, y el del átomo neutro, mayor que el de sus cationes. El anión tiene el mismo número de protones que el átomo neutro, pero cuatro electrones más, que son atraídos con menos fuerza por el núcleo. Además, la introducción de estos electrones aumenta las repulsiones existentes entre ellos, lo que se traduce en un aumento del tamaño. El catión tiene el mismo número de protones que el átomo neutro, pero menos electrones, los cuales serán atraídos con más fuerza. Además, en este caso, el catión tiene una capa menos y, en consecuencia, un tamaño más pequeño. 4+
4
Por tanto, el tamaño de las tres especies químicas sigue el orden: C < C < C −.
Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 39
Tendencias periódicas en la energía de ionización y afinidad electrónica 49.
2
1
La primera y segunda energía de ionización para el átomo A, cuya configuración electrónica es 1 s 2s , son −1 520 y 7300 kJ mol , respectivamente. a) Indica qué elemento es A, así como el grupo y período a los que pertenece. b) Define el término energía de ionización. Justifica la gran diferencia entre los valores de la primera y la segunda energía de ionización del átomo A. +
2+
c) Ordena las especies A, A y A de menor a mayor tamaño, justificando la respuesta. +
d) ¿Qué elemento presenta la misma configuración electrónica que la especie química A ? a) Basándonos en su configuración electrónica externa sabemos que pertenece al segundo período (capa de 1 valencia n = 2) y al grupo de los alcalinos (ns ). A es, por tanto, el litio. b) La energía de ionización es una propiedad periódica que se define como la energía necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, obteniendo un ion mononegativo gaseoso más un electrón sin energía cinética. Mientras que la segunda energía de ionización es la necesaria para obtener un ion dipositivo gaseoso partiendo del ion mononegativo. +
Li(g) + I 1 → Li (g) + e− +
2+
Li (g) + I 2 → Li (g) + e− El ion litio(1+) posee configuración electrónica de gas noble, de ahí el bajo valor de I 1. Sin embargo, el catión 1 litio(2+) ha perdido dicha configuración (ahora es 1s ), por lo que es mucho menos estable. En este proceso se requerirá gran aporte de energía. c) Al tratarse del mismo elemento Z , no varía, pero sí el número de electrones. Al ir quitando electrones, los restantes son atraídos con más fuerza por los protones del núcleo, lo que disminuye su radio y, por tanto, su tamaño. 2+
+
A < A < A d) El helio.
50. Teniendo en cuenta solo los tamaños de los átomos A y B, ¿qué podrías decir sobre sus I y A?
En el átomo A, el e lectrón está a mayor distancia, por lo que será más fácil arrancarlo, siendo menor su energía de ionización (I ). La afinidad electrónica (A) también será menor, ya que su tamaño es mayor, por lo que el electrón estará más alejado del núcleo, siendo menor su atracción.
51. El cesio es un metal alcalino de muy baja energía de ionización. Calcula la frecuencia de la radiación necesaria para ionizar el cesio, sabiendo que su primera energía de ionización es de 3,1eV. –19
Datos: 1 eV = 1,602 · 10
–34
J y h = 6,626 · 10 I 1
J s
1,602 ⋅ 10−19 J −19 = (3,1 eV) = 5,0 ⋅ 10 J 1 eV
ν=
40 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos
E h
=
(5,0 ⋅ 10−19 J) (6,626 ⋅ 10−34 J s)
= 7,5 ⋅ 1014 Hz
52. Considerando los elementos de números atómicos 11, 12, 14 y 17: a) Identifícalos y representa un átomo de los mismos. b) Ordénalos según el valor de su primera energía de ionización. Justifica tu ordenación. a) Al ser átomos neutros, el número de electrones coincide con el número atómico. Siguiendo las reglas de llenado de orbitales: 1
Z = 11 → [Ne] 3s , es el sodio: 11Na 2
Z = 12 → [Ne] 3s , es el magnesio: 12Mg 2
2
2
5
Z = 14 → [Ne] 3s 3 p , es el silicio: 14Si Z = 17 → [Ne] 3s 3 p , es el cloro: 15Cl b)
Dado que la energía de ionización aumenta al avanzar en un mismo período. En ese sentido, aumenta la carga nuclear, por lo que los electrones serán atraídos con más fuerza, requiriéndose más energía para arrancarlos. I Na < I Mg < I Si < I Cl
53. Basándote en las configuraciones electrónicas del magnesio ( Z = 12) y del aluminio ( Z = 13), justifica cuál tendrá una tercera energía de ionización mayor. ¿Crees que serán ambos iones X
3+
estables? ¿Por qué? 2
2
1
Las configuraciones electrónicas del magnesio y del aluminio son, respectivamente, [Ne] 3s y [Ne] 3s 3 p . La tercera energía de ionización es la necesaria para obtener el catión tripositivo a partir del ion dipositivo: 2+
3+
X (g) + I 3 → X (g) La tercera energía de ionización del magnesio será mayor que la del aluminio, ya que supone la pérdida de la configuración electrónica del gas noble neón. Mientras que en el caso del aluminio, la pérdida de este tercer electrón proporciona el ion aluminio(3+), que posee la configuración electrónica del neón. 3+
3+
Por la razón dada antes, el ion Mg es inestable, mientras que el Al es muy estable.
54. El litio se emplea en baterías eléctricas como las que se utilizan en los dispositivos portátiles electrónicos, como es el caso de los teléfonos móviles. −1
Para ionizar el litio metálico a ion litio(1+) se requieren 521 kJ mol . Su segunda energía de ionización es −1 de 7296,5 kJ mol . ¿A qué se puede deber la gran diferencia entre ambas energías?
La segunda energía de i onización corresponde al proceso: +
2+
Li (g) + I2 → Li (g) + e− +
2
La configuración electrónica de Li es 1s , muy estable, que corresponde a la configuración electrónica del gas noble helio. Extraer un electrón a este ion monopositivo supone la pérdida de dicha estabilidad; además, este electrón se encuentra fuertemente atraído por el núcleo.
−1
55. La primera energía de ionización del potasio tiene un valor de 415 kJ mol , y la primera afinidad electrónica del flúor, -3,45 eV. a) Calcula el valor de la energía intercambiada en el proceso de formación de un mol de iones, dando el −1 resultado en kJ mol . b) Escribe las diferentes ecuaciones termoquímicas correspondientes. −1
−1
Dato: 1 eV = 96,49 kJ mol eV
+
K(g) + 396 kJ → K (g) + e−
I 1 = 4,30 eV +
K(g) + F(g) → K (g) + F−(g) F (g) + e−
F− (g)
→
E = I 1 + A1
A1 = -3,45 eV
Así, la energía intercambiada en el proceso es: E = 4,30 - 3,45 = 0,85 eV E =
96,49 kJ mol−1 −1 = 82 kJ mol 1 eV
(0,85 eV)
Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 41
56. Basándote en las configuraciones electrónicas de los siguientes átomos, justifica qué elemento tendrá una segunda energía de ionización mayor. 2
2
6
1
2
2
6
2
A: 1s 2s 2 p 3s B: 1s 2s 2 p 3s
La segunda energía de ionización es la necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido al ion monopositivo gaseoso y en estado fundamental para obtener el ion de carga 2+, más un electrón sin energía cinética. +
X (g) + I 2
2+
X (g)
→
2+
La pérdida de dos electrones en la especia B (Mg) origina el ion Mg que posee la configuración electrónica del neón; mientras que en la especie A el paso del ion monopositivo al del catión divalente está desfavorecido al originar una especie poco estable (ya que supone la pérdida de la configuración de gas noble). Por ello, la segunda energía de ionización de A es mucho mayor que la de B.
57. Hubo una época, en el que el cloruro de sodio, llamado sal común, era tan apreciado como el oro. A los egipcios les debemos su uso para conservar alimentos en salazón. −1
Calcula la afinidad electrónica del cloro, expresada en kcal mol ; sabiendo que en el proceso de formación −1 de dicho compuesto se absorben 47,7 y que la energía de ionización del sodio es 396, ambas en kJ mol . +
Na(g) + 396 kJ → Na (g) + e− +
Na(g) + Cl(g) → Na (g) + Cl−(g)
∆H =
-1
47,7 kJ mol
Cl(g) + e− → Cl−(g) + A -1
I + A = ∆H ⇒ A = ∆H – I = 47,7 – 396 = –348,3 kJ mol A
0,24 kcal −1 = (−348,3 kJmol−1 ) = −83,6 kcalmol 1 kJ
–1
58. Las afinidades electrónicas de dos elementos A y B son, respectivamente, 1,62 y –3,4 eV átomo . Escribe las ecuaciones químicas de los procesos de formación de sus aniones, expresando la energía −1 intercambiada en kJ mol .
1,62 eV 1,602 ⋅ 10−19 J 10−3 kJ 6,022 ⋅ 1023 átomo −1 = 156 kJmol 1 eV 1 mol 1 átomo 1J -1
A(g) + e− + 156 kJ mol
A−(g)
→
-3,4 eV 1,602 ⋅ 10−19 J 10−3 kJ 6,022 ⋅ 1023 átomo −1 = − 328 kJmol 1 eV 1 mol 1 átomo 1 J B(g) + e− → B−(g) + 328 kJ mol
-1
Tendencias periódicas en la electronegatividad y reactividad 59. Basándote en la electronegatividad del bromo, razona si el proceso de formación del ion bromuro a partir del bromo atómico es probable. Si se enfrentase este halógeno a un átomo de flúor, ¿qué crees que pasaría?
La formación del ion bromuro(1–) a partir de bromo es un proceso sencillo, ya que el bromo es un elemento muy electronegativo, y si captura un electrón alcanza la configuración electrónica del gas noble kriptón. Al enfrentar un átomo de bromo a uno de flúor no se formaría el anión bromuro, sino que sería el de flúor el que ganase el electrón porque es más oxidante (mayor tendencia a coger electrones) que el bromo.
60. Ordena los siguientes elementos por electronegatividades decrecientes: 2
2
6
1
A: 1s 2s 2 p 3s 2
2
4
2
2
5
B: 1s 2s 2 p C: 1s 2s 2 p 1
D: [Ne] 4 s
42 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos
Por las configuraciones electrónicas se sabe que: A es el sodio, B el oxígeno, C el flúor y D el potasio. Dado que la electronegatividad disminuye al movernos hacia la izquierda y hacia abajo en la tabla periódica: D
61. De los siguientes metales, ¿cuál reaccionará más violentamente con el agua: litio, potasio, magnesio, cobre o hierro?
Reaccionará más violentamente con el agua el que posea mayor carácter metálico (menor energía de ionización, o lo que es lo mismo, mayor tendencia a ceder electrones). Teniendo en cuenta que el carácter metálico aumenta al movernos hacia la izquierda en un período y al descender en un grupo, el elemento pedido será el potasio.
62. Basándote en las configuraciones electrónicas siguientes: 2
2
6
2
5
A: 1s 2s 2 p 3s 3 p 2
2
6
2
B: 1s 2s 2 p 3s 2
2
6
C: 1s 2s 2 p Responde a las siguientes preguntas. a) ¿Cuáles son no metales? ¿Por qué? b) ¿Cuál posee mayor electronegatividad? c) ¿Cuál tiene mayor poder reductor?
d) Si se unieran dos átomos de A, ¿se formaría una sustancia iónica? ¿Y si lo hacen un átomo de A y uno de B? a) A pertenece al grupo de los halógenos; B, al de los alcalinotérreos y C, al de los gases nobles. Así, A y C son no metales. b) El más electronegativo es el halógeno (A), ya que esta propiedad periódica aumenta al movernos hacia la derecha y hacia arriba en el sistema periódico. c) El que tiene mayor carácter metálico; por tanto, B. d) No, la sustancia sería covalente. Si se unieran un átomo de A y uno de B, sí se formaría una sustancia iónica, debido a la gran diferencia existente entre sus electronegatividades.
Los dos electrones cedidos por B serían capturados por dos átomos de A, originando una sustancia del tipo BA2.
63. El sodio es un metal alcalino muy blando (se puede cortar con tijeras) que reacciona violentamente con el agua. En el proceso se forma, entre otras sustancias, hidrógeno. a) ¿Qué le sucede al átomo de sodio en esta reacción? b) ¿Cómo crees que variará la reactividad de los metales alcalinos con el agua al descender en el grupo? a) Los metales alcalinos (grupo 1 de la tabla periódica) tienen bajas energías de ionización. La pérdida de un electrón supone que alcancen la configuración del gas noble más próximo, en este caso, el neón. 11Na:
2
2
6
1
1s 2s 2 p 3s
+ 11Na :
2
2
6
1s 2s 2 p = [Ne]
Por esta razón, la especie iónica es más estable que la neutra. El sodio reaccionará violentamente con el agua (perdiendo ese último electrón); en el proceso se desprenderá energía en forma de calor, lo que puede hacer explotar el hidrógeno. 2 Na(s) + 2 H2O(l) → 2 NaOH(aq) + H2 (g)
∆H º
= −334 kJ
Se puede comprobar la formación de la base (NaOH) si añadimos unas gotas de fenolftaleína en el medio de reacción, ya que se observa una coloración rosa. b) Al bajar en el grupo, aumenta la facilidad para arrancar el último electrón, ya que este se encuentra situado e n niveles cada vez más alejados del núcleo. Como la energía de ionización es cada vez menor, se desprenderá más energía en el proceso global. El resultado es que la reacción será cada vez más violenta. Por tanto, la reactividad de los metales aumenta al descender en el grupo.
Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 43
64. Razona cuál de las siguientes especies químicas presenta mayor reactividad: el átomo de berilio o su ion berilio(2+). Dato: Z (Be) = 4. 2
El berilio es el elemento cabecera del grupo de los alcalinotérreos, siendo su configuración electrónica externa 2s . El ion berilio(2+) posee, por tanto, configuración electrónica cerrada, ya que al perder los dos electrones de valencia ha adquirido la configuración electrónica del helio. Por ello, el ion es menos reactivo que el elemento.
65. Dados los elementos A ( Z = 16), B ( Z = 13) y C ( Z = 20): a) Basándote en su configuración electrónica, ¿cuál será su ion más estable? b) Ordena los elementos según electronegatividad creciente. c) Si se unen A y C, ¿qué tipo de sustancia darán? Escribe su fórmula. d) ¿Presenta mayor poder reductor A o B? a) Sabiendo que al ser átomos neutros el número de electrones coincide con el número atómico y siguiendo el diagrama de Möller, se establecen sus configuraciones electrónicas: 2
4
A: [Ne] 3s 3 p , es el azufre.
2
1
B: [Ne] 3s 3 p , es el aluminio.
2
C: [Ar] 4s , es el calcio.
Los iones más estables son aquellos que proporcionan configuraciones electrónicas de gases nobles. Así, 2– 3+ 2+ serán: A (ion sulfuro); B (ion aluminio(3+)) y C (ion calcio(2+)). b) Sabiendo que la electronegatividad aumenta al ascender en un mismo grupo y movernos hacia la derecha en un mismo período, C < B < A. c) A es un no metal, y C, un metal. Dada su diferencia de electronegatividad, se formará una sustancia iónica de fórmula CA, ya que C pierde dos electrones, mientras que A los captura, alcanzando ambos iones la configuración electrónica del argón, lo que l es proporciona gran estabilidad. d) B tiene mayor poder reductor, ya que está situado a la izquierda de A y el poder reductor aumenta al movernos en ese sentido en un mismo período.
66. Actividad smSaviadigital.com. RESUELVE. De todos los metales alcalinos, ¿cuál crees que es más reactivo? Puedes comprobar tu respuesta visualizando el siguiente vídeo, en el que se estudia la reactividad con el agua.
El francio.
67. Actividad smSaviadigital.com. RESUELVE.
68. Actividad smSaviadigital.com. RESUELVE.
44 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos
La química y… los semimetales 1.
Aunque se abordará en la siguiente unidad, existen dos tipos de semiconductores: intrínsecos y extrínsecos o dopados. ¿Qué diferencia hay entre ellos?
En los semiconductores intrínsecos, la conductividad eléctrica bajo ciertas condiciones es una característica propia del elemento que los forma, mientras que en el semiconductor extrínseco la conductividad va ligada a la impureza añadida al elemento que lo forma.
2.
Actividad smSaviadigital.com. INVESTIGA.
Autoevaluación 1.
¿Cuál de estas afirmaciones es la falsa?
4.
¿Cuál de estas afirmaciones es la verdadera?
a)
El sodio es un elemento menos metálico que el litio, pero más que el calcio.
a)
Todos los gases nobles poseen una capa de 2 6 valencia del tipo ns np .
b)
En un mismo período, la energía de ionización aumenta al hacerlo el número de protones del núcleo.
b)
Colocar los elementos por número atómico es lo mismo que colocarlos por número de neutrones.
c)
La configuración electrónica [Ne] 3 s corresponde con un átomo de sodio.
c)
d)
El primer período de la tabla periódica posee únicamente dos elementos.
En la tabla periódica, los no metales son los que aparecen a la izquierda.
d)
Las propiedades periódicas son aquellas que varían de forma regular con Z .
1
se
a d 2.
Para cada par de las especies químicas siguientes, selecciona la más pequeña: a)
KyK
+
2−
b)
O y O
c)
F y I
d)
5.
−
−
La configuración electrónica de un átomo en 2 2 6 2 6 1 estado excitado es: 1 s 2s 2 p 3s 3 p 5s . ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son 6. correctas? a)
Pertenece al grupo de los alcalinos.
b)
Posee carácter metálico.
c)
Su primera energía de ionización es elevada.
d)
Da aniones con facilidad.
ayb
afirmaciones es
la
La afinidad electrónica es lo mismo que la electronegatividad.
b)
Un átomo es siempre mayor que su catión.
c)
Todos los períodos empiezan con un metal alcalino.
d)
La formación del ion sodio(1+) libera energía.
a) K , b) O, c) F y d) Al
3.
siguientes
a)
−
Ca y Al +
¿Cuál de las verdadera?
b Señala la afirmación falsa sobre la tabla periódica actual. a)
Los elementos de un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica externa.
b)
Se colocan atómicas.
c)
Se divide en 18 grupos y 7 períodos.
d)
Los semimetales aparecen en la línea de separación de metales y no metales.
los
elementos
por
masas
b
Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 45
