Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2023

Sean las siguientes configuraciones electrónicas:

1) $1s^{2}2s^{2}2p^{5}3s^1$; 2) $1s^{2}2s^{3}2p^3$; 3) $1s^{2}2s^{2}2p^6$; 4) $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^5$; 5) $1s^{2}2s^{1}2p^6$

a) Indique las configuraciones electrónicas que corresponden a un estado fundamental, un estado prohibido o un estado excitado. [0,50 puntos]

b) Indique a qué elementos corresponden las configuraciones electrónicas en estado fundamental. [0,75 puntos]

c) Razone los estados de oxidación más estables de los elementos que se corresponden con las configuraciones electrónicas en estado fundamental. [0,75 puntos]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{configuraciones}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nicas}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{corresponden}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{fundamental,}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{prohibido}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{excitado.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Hay que aplicar tres criterios en este orden: primero si la configuración es siquiera posible (principio de exclusión de Pauli, que limita a 2 electrones por orbital y por tanto a 2 en una subcapa $s$ y a 6 en una $p$), y después si los electrones ocupan los orbitales de menor energía disponibles.

$\mathbf{\text{1)}}1s^{2}2s^{2}2p^{5}3s^1$ — $\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{excitado}}$. Es posible, pero no es la de mínima energía: hay un hueco libre en el $2p$ y sin embargo un electrón está en el $3s$, que es más energético. Tiene 10 electrones, así que el estado fundamental sería el del neón, $1s^{2}2s^{2}2p^6$.

$\mathbf{\text{2)}}1s^{2}2s^{3}2p^3$ — $\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{prohibido}}$. La subcapa $2s$ tiene un solo orbital y no puede alojar más de 2 electrones. Tres electrones en él violarían el principio de exclusión de Pauli, porque dos de ellos tendrían los cuatro números cuánticos iguales.

$\mathbf{\text{3)}}1s^{2}2s^{2}2p^6$ — $\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{fundamental}}$. Los orbitales se han llenado por orden de energía y ninguno queda a medias por debajo de otro ocupado.

$\mathbf{\text{4)}}1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^5$ — $\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{fundamental}}$, por la misma razón.

$\mathbf{\text{5)}}1s^{2}2s^{1}2p^6$ — $\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{excitado}}$. Es posible, pero el $2s$ está a medias mientras el $2p$, más energético, está lleno. Con 9 electrones, el fundamental sería $1s^{2}2s^{2}2p^5$.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{corresponden}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{configuraciones}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nicas}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{fundamental.}}\mathbf{\text{[0,75}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El elemento lo identifica el número atómico, que en un átomo neutro es el número total de electrones. Basta sumar los superíndices:

$\mathbf{\text{3)}}Z=2+2+6=10$ — el $\mathbf{\text{ne}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}$, un gas noble del periodo 2, grupo 18.

$\mathbf{\text{4)}}Z=2+2+6+2+5=17$ — el $\mathbf{\text{cloro}}$, un halógeno del periodo 3, grupo 17.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{estados}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{oxidaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{estables}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{corresponden}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{configuraciones}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nicas}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{estado}}\mathbf{\text{fundamental.}}\mathbf{\text{[0,75}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El criterio es siempre el mismo: alcanzar una capa de valencia completa con el menor número posible de electrones ganados o perdidos.

$\mathbf{\text{Ne}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}$: su capa de valencia $2s^{2}2p^6$ ya está completa. No tiene ninguna tendencia ni a ceder electrones —su energía de ionización es la mayor del periodo— ni a captarlos, porque tendría que empezar un nivel nuevo. Su estado de oxidación es $\mathbf{\text{0}}$: es químicamente inerte y no forma compuestos en condiciones ordinarias.

$\mathbf{\text{Cloro}}$: su capa de valencia $3s^{2}3p^5$ tiene 7 electrones y le falta uno solo para el octeto. Como además es muy electronegativo, lo capta con facilidad:

$\mathrm{C}\mathrm{l}+e^{-}\to \mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}3s^{2}3p^6\text{(configuraci}\acute{\text{o}}\text{n del arg}\acute{\text{o}}\text{n)}$

Su estado de oxidación más estable es, por tanto, $\mathbf{\text{−1}}$, que es el que presenta en los cloruros. Conviene añadir que, frente a elementos aún más electronegativos como el oxígeno o el flúor, el cloro también actúa con valores positivos —$+1$, $+3$, $+5$ y $+7$ en los oxoácidos y sus sales—, algo que le es posible porque puede promocionar electrones a sus orbitales $3d$ vacíos.