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

$\textbf{a) Escriba las configuraciones electrónicas de las cinco especies. [1,0 punto]}$

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.

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

$1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6$

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

$1s^2\ 2s^2\ 2p^6$

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

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

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

$1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^2\ 3d^6$

$\textbf{5) Sr²⁺}$, 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 $s$.

$\textbf{b) Razone qué especie tiene electrones desapareados. [0,50 puntos]}$

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 $\mathrm{Cl^-}$ acaba en $3p^6$, el $\mathrm{Na^+}$ en $2p^6$, y el $\mathrm{Kr}$ y el $\mathrm{Sr^{2+}}$ 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 $\textbf{hierro}$, 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:

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

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

$\textbf{c) Justifique cuáles de las anteriores especies son isoelectrónicas. [0,50 puntos]}$

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

Especie	Electrones $\mathrm{Cl^-}$	18 $\mathrm{Na^+}$	10 $\mathrm{Kr}$	36 $\mathrm{Fe}$	26 $\mathrm{Sr^{2+}}$	36

Son isoelectrónicos el $\textbf{Kr y el Sr²⁺}$, 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 $\mathrm{Sr^{2+}}$ 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.