Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2023

1. Dado el elemento con configuración electrónica $1{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{p}}^{6}3{\mathrm{s}}^{2}3{\mathrm{p}}^{6}4{\mathrm{s}}^{2}3{\mathrm{d}}^{10}4{\mathrm{p}}^3$:

a) Indique su nombre y símbolo atómico, así como su posición (grupo y periodo) en la Tabla Periódica. ¿Cómo se suele denominar a ese grupo? (0,50 p)
b) Explique brevemente si las siguientes configuraciones electrónicas corresponden a un átomo excitado de dicho elemento, a un ion de dicho elemento o si no son posibles: (0,50 p)
i) $1{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{p}}^{6}3{\mathrm{s}}^{2}3{\mathrm{p}}^{6}4{\mathrm{s}}^{1}3{\mathrm{d}}^{11}4{\mathrm{p}}^3$ ii) $1{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{p}}^{6}3{\mathrm{s}}^{2}3{\mathrm{p}}^{6}4{\mathrm{s}}^{1}3{\mathrm{d}}^{10}4{\mathrm{p}}^{3}5{\mathrm{s}}^1$
c) Escriba un posible conjunto de números cuánticos (n, l, m, s) para un electrón 3d. (0,25 p)
d) ¿Cuántos electrones de valencia, y cuántos electrones desapareados, tendrá este elemento, en su estado fundamental? Justifique brevemente su respuesta. (0,50 p)
e) Indique, entre los siguientes, qué conjunto de estados de oxidación más probables corresponde a este elemento: (0,25 p) i) +3, +5, –3 ii) +2, +10, +3 iii) –3, –5

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{nombre}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{s}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{mbolo}}\mathbf{\text{at}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mico,}}\mathbf{\text{as}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{posici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{(grupo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{periodo)}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{Tabla}}\mathbf{\text{Peri}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{dica.}}\mathbf{\text{¿C}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{suele}}\mathbf{\text{denominar}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{ese}}\mathbf{\text{grupo?}}\mathbf{\text{(0,50}}\mathbf{\text{p)}}$

Sumando los electrones de la configuración se obtiene el número atómico:

$Z=2+2+6+2+6+2+10+3=33$

Se trata del $\mathbf{\text{ars}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{nico}}$, As.

El nivel más alto que aparece es el 4, luego está en el $\mathbf{\text{cuarto}}\mathbf{\text{periodo}}$. Y sus electrones de valencia son los $4s^{2}4p^3$, cinco en total, lo que lo sitúa en el $\mathbf{\text{grupo}}\mathbf{\text{15}}$, el de los nitrogenoideos.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{brevemente}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{configuraciones}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nicas}}\mathbf{\text{corresponden}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{un}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{excitado}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{dicho}}\mathbf{\text{elemento,}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{ion}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{dicho}}\mathbf{\text{elemento}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{son}}\mathbf{\text{posibles.}}\mathbf{\text{(0,50}}\mathbf{\text{p)}}$

$\mathbf{\text{i)}}$ $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}3d^{11}4p^3$

$\mathbf{\text{No}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{posible}}$. Una subcapa $d$ consta de cinco orbitales y admite como máximo diez electrones, de modo que $3d^{11}$ viola el principio de exclusión de Pauli. Ningún átomo, esté como esté, puede tener esa configuración.

$\mathbf{\text{ii)}}$ $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}3d^{10}4p^{3}5s^1$

Los electrones suman 33, los mismos que el arsénico neutro, así que no es un ion. Lo que ocurre es que uno de los electrones $4s$ ha saltado al $5s$, de mayor energía. Corresponde, por tanto, a un $\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{excitado}}$ de arsénico.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{posible}}\mathbf{\text{conjunto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{n}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{meros}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{nticos}}\mathbf{\text{(n,}}\mathbf{\text{l,}}\mathbf{\text{m,}}\mathbf{\text{s)}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{3d.}}\mathbf{\text{(0,25}}\mathbf{\text{p)}}$

Un orbital $3d$ exige $n=3$ y $l=2$; el número magnético puede tomar cualquier valor entre $-2$ y $+2$, y el de espín, $\pm \frac{1}{2}$. Por ejemplo:

$(3,2,0,+\frac{1}{2})$

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{¿Cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ntos}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{valencia,}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{ntos}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{desapareados,}}\mathbf{\text{tendr}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{este}}\mathbf{\text{elemento,}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{fundamental?}}\mathbf{\text{(0,50}}\mathbf{\text{p)}}$

Los electrones de valencia son los del nivel más externo, el 4:

$4s^{2}4p^3\Rightarrow 5\text{ electrones de valencia}$

Los del $3d$ no cuentan como valencia: la subcapa está completa y actúa como capa interna.

Para los desapareados hay que aplicar la regla de Hund, que dice que los electrones ocupan los orbitales de una misma subcapa de uno en uno y con espines paralelos antes de emparejarse. Los dos electrones $4s$ comparten orbital y están apareados; los tres $4p$ se reparten en los tres orbitales $p$, uno en cada uno:

$3\text{ electrones desapareados}$

$\mathbf{\text{e)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{conjunto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{estados}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{probables}}\mathbf{\text{corresponde}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{este}}\mathbf{\text{elemento.}}\mathbf{\text{(0,25}}\mathbf{\text{p)}}$

El $\mathbf{\text{i)}}+3,+5,-3$.

Con cinco electrones de valencia, el arsénico puede ceder los tres $4p$ ($+3$), ceder los cinco ($+5$) o ganar tres para completar el octeto ($-3$). El conjunto ii) es imposible porque no tiene diez electrones que ceder, y el iii) porque $-5$ exigiría ganar cinco electrones, muy por encima de lo que el octeto admite.