Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2026

Ejercicio 3. (2 puntos)

Considere los elementos azufre, calcio y cobalto.

a) Escriba la configuración electrónica de los tres elementos en el estado fundamental. (0,6 puntos)

b) Escriba dos combinaciones posibles de los cuatro números cuánticos para un electrón del nivel $3d$ del átomo de cobalto. (0,4 puntos)

Conteste a una de las siguientes cuestiones:

c1) Aplicando la regla del octeto, deduzca cuál es la fórmula empírica del compuesto formado por azufre y calcio. Razone qué tipo de enlace se establece en este compuesto. (1 punto)

c2) A partir de las estructuras de Lewis, razone cuál será la geometría de las moléculas de diclorodifluorometano, $\text{CF}_2\text{Cl}_2$, y tricloruro de arsénico, $\text{AsCl}_3$. Discuta su polaridad. (1 punto)

$\textbf{a) Escriba la configuración electrónica de los tres elementos en el estado fundamental. (0,6 puntos)}$

Los números atómicos son $Z(\mathrm{S})=16$, $Z(\mathrm{Ca})=20$ y $Z(\mathrm{Co})=27$. Repartimos esos electrones siguiendo el principio de mínima energía, con el orden de llenado del diagrama de Moeller:

$\mathrm{S}\ (Z=16):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$

$\mathrm{Ca}\ (Z=20):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2$

$\mathrm{Co}\ (Z=27):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^7$

En el cobalto el orbital $4s$ se llena antes que el $3d$ porque tiene menor energía, aunque su número cuántico principal sea mayor.

$\textbf{b) Escriba dos combinaciones posibles de los cuatro números cuánticos para un electrón del nivel } \boldsymbol{3d}\textbf{ del átomo de cobalto. (0,4 puntos)}$

Un electrón del nivel $3d$ tiene fijados los dos primeros números cuánticos:

$n=3$ (nivel), $\ell=2$ (subnivel $d$)

El número cuántico magnético puede tomar los valores enteros entre $-\ell$ y $+\ell$, y el de espín solo dos:

$m_\ell\in\{-2,-1,0,+1,+2\},\qquad m_s=\pm\dfrac{1}{2}$

Dos combinaciones válidas, entre las diez posibles, son:

$\left(3,\ 2,\ -2,\ +\dfrac{1}{2}\right)\qquad\text{y}\qquad\left(3,\ 2,\ 0,\ -\dfrac{1}{2}\right)$

$\textbf{c1) Aplicando la regla del octeto, deduzca cuál es la fórmula empírica del compuesto formado por azufre y calcio. Razone qué tipo de enlace se establece en este compuesto. (1 punto)}$

Miramos los electrones de la última capa de cada elemento en las configuraciones del primer apartado. El calcio tiene dos electrones de valencia ($4s^2$) y el azufre, seis ($3s^2\,3p^4$).

Para alcanzar la configuración de gas noble, al calcio le compensa perder sus dos electrones y al azufre, ganar dos:

$\mathrm{Ca}\rightarrow \mathrm{Ca^{2+}}+2\,e^-\qquad \mathrm{S}+2\,e^-\rightarrow \mathrm{S^{2-}}$

Como las dos cargas coinciden en valor absoluto, los iones se combinan en proporción 1:1 y la fórmula empírica es:

$\mathrm{CaS}$

El enlace es iónico: se forma entre un metal del grupo 2, muy poco electronegativo, y un no metal del grupo 16, bastante electronegativo, y consiste en la atracción electrostática entre los iones $\mathrm{Ca^{2+}}$ y $\mathrm{S^{2-}}$ dentro de una red cristalina.

$\textbf{c2) A partir de las estructuras de Lewis, razone cuál será la geometría de las moléculas de diclorodifluorometano, } \boldsymbol{\mathrm{CF_2Cl_2}}\textbf{, y tricloruro de arsénico, } \boldsymbol{\mathrm{AsCl_3}}\textbf{. Discuta su polaridad. (1 punto)}$

Aplicamos la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia: los pares que rodean al átomo central se colocan lo más separados posible.

En el $\mathrm{CF_2Cl_2}$ el carbono aporta cuatro electrones de valencia y forma cuatro enlaces simples, dos con flúor y dos con cloro. No le queda ningún par libre, así que hay cuatro pares enlazantes en torno al carbono y la geometría es tetraédrica.

En el $\mathrm{AsCl_3}$ el arsénico tiene cinco electrones de valencia: forma tres enlaces simples con los cloros y le sobra un par no enlazante. Hay, pues, cuatro pares en torno al arsénico, pero solo tres son enlazantes: la disposición de partida es tetraédrica y la geometría de la molécula, pirámide trigonal.

En cuanto a la polaridad, los dos enlaces son polares porque en ambos casos los átomos unidos tienen electronegatividades distintas. Lo que decide es si los momentos dipolares se anulan entre sí:

- En el $\mathrm{CF_2Cl_2}$, aunque la geometría es tetraédrica, los cuatro sustituyentes no son iguales: el flúor es más electronegativo que el cloro, los dipolos C-F y C-Cl no tienen el mismo valor y no se cancelan. La molécula es polar.

- En el $\mathrm{AsCl_3}$, la pirámide trigonal no es simétrica y, además, el par libre del arsénico contribuye al momento dipolar. La molécula también es polar.