Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2023

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

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) $\mathrm{1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^1\ 3d^{11}\ 4p^3}$ ii) $\mathrm{1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^1\ 3d^{10}\ 4p^3\ 5s^1}$
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

$\textbf{a) Indique su nombre y símbolo atómico, así como su posición (grupo y periodo) en la Tabla Periódica. ¿Cómo se suele denominar a ese grupo? (0{,}50 p)}$

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

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

Se trata del $\textbf{arsénico}$, As.

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

$\textbf{b) Explique brevemente si las siguientes configuraciones electrónicas corresponden a un átomo excitado de dicho elemento, a un ion de dicho elemento o si no son posibles. (0{,}50 p)}$

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

$\textbf{No es posible}$. 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.

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

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 $\textbf{átomo excitado}$ de arsénico.

$\textbf{c) Escriba un posible conjunto de números cuánticos (n, l, m, s) para un electrón 3d. (0{,}25 p)}$

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

$\left(3,\ 2,\ 0,\ +\tfrac{1}{2}\right)$

$\textbf{d) ¿Cuántos electrones de valencia, y cuántos electrones desapareados, tendrá este elemento, en su estado fundamental? (0{,}50 p)}$

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

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

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:

$3 \text{ electrones desapareados}$

$\textbf{e) Indique qué conjunto de estados de oxidación más probables corresponde a este elemento. (0{,}25 p)}$

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

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.