Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2020

Para las siguientes especies: 1) ${\text{Cl}}^{-}$; 2) ${\text{Na}}^{+}$; 3) $\text{Kr}$; 4) $\text{Fe}$; 5) ${\text{Sr}}^{2+}$.

a) Escriba las configuraciones electrónicas de las cinco especies. [1,0 punto]

b) Razone qué especie tiene electrones desapareados. [0,50 puntos]

c) Justifique cuáles de las anteriores especies son isoelectrónicas. [0,50 puntos]

Datos: números atómicos ($Z$): $\text{Cl}=17$; $\text{Na}=11$; $\text{Kr}=36$; $\text{Fe}=26$; $\text{Sr}=38$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{configuraciones}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nicas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{cinco}}\mathbf{\text{especies.}}\mathbf{\text{[1,0}}\mathbf{\text{punto]}}$

En un ion hay que partir del número atómico y sumar o restar los electrones correspondientes a la carga: un anión tiene más electrones que protones y un catión, menos.

$\mathbf{\text{1)}}\mathbf{\text{Cl⁻}}$, con $Z=17$ y una carga negativa, tiene 18 electrones:

$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^6$

$\mathbf{\text{2)}}\mathbf{\text{Na⁺}}$, con $Z=11$ y una carga positiva, tiene 10 electrones:

$1s^{2}2s^{2}2p^6$

$\mathbf{\text{3)}}\mathbf{\text{Kr}}$, átomo neutro con $Z=36$:

$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^6$

$\mathbf{\text{4)}}\mathbf{\text{Fe}}$, átomo neutro con $Z=26$:

$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^6$

$\mathbf{\text{5)}}\mathbf{\text{Sr²⁺}}$, con $Z=38$ y dos cargas positivas, tiene 36 electrones. Los que pierde son los dos del $5s$, que es el nivel más externo:

$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^6$

Un detalle importante sobre los cationes de los metales de transición y sus vecinos: aunque el $4s$ se llena antes que el $3d$, los electrones que se pierden al formar el ion son siempre los del nivel más externo, es decir, los $s$.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{especie}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{desapareados.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Un electrón queda desapareado cuando ocupa él solo un orbital, y eso solo puede ocurrir en una subcapa incompleta. Basta, pues, mirar cuáles terminan a medias.

De las cinco, cuatro tienen todas sus subcapas llenas: el $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ acaba en $3p^6$, el $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ en $2p^6$, y el $\mathrm{K}\mathrm{r}$ y el $\mathrm{S}{\mathrm{r}}^{2+}$ en $4p^6$. En todas ellas los electrones están apareados dos a dos y no queda ninguno suelto.

La única con la subcapa incompleta es el $\mathbf{\text{hierro}}$, que termina en $3d^6$. La subcapa $d$ tiene cinco orbitales, y por la regla de Hund los seis electrones se reparten poniendo primero uno en cada orbital, con espines paralelos, y solo el sexto se aparea:

$3d^6:\uparrow \downarrow \uparrow \uparrow \uparrow \uparrow$

Quedan por tanto $\mathbf{\text{cuatro}}\mathbf{\text{electrones}}\mathbf{\text{desapareados}}$. Es la razón de que el hierro sea fuertemente magnético, mientras que las otras cuatro especies son diamagnéticas.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{les}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{anteriores}}\mathbf{\text{especies}}\mathbf{\text{son}}\mathbf{\text{isoelectr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nicas.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Dos especies son isoelectrónicas cuando tienen el mismo número de electrones y, por tanto, la misma configuración electrónica. Contando:

Especie	Electrones $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$	18 $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$	10 $\mathrm{K}\mathrm{r}$	36 $\mathrm{F}\mathrm{e}$	26 $\mathrm{S}{\mathrm{r}}^{2+}$	36

Son isoelectrónicos el $\mathbf{\text{Kr}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{Sr²⁺}}$, ambos con 36 electrones y configuración terminada en $4p^6$. Las demás no coinciden con ninguna.

Conviene añadir que tener la misma configuración no significa ser iguales: el $\mathrm{S}{\mathrm{r}}^{2+}$ tiene 38 protones tirando de esos 36 electrones, mientras que el kriptón solo tiene 36. La carga nuclear efectiva es mayor en el catión y su radio, bastante menor.