Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2021

El número atómico del P es 15.

a) Escriba su configuración electrónica en estado fundamental. [0,5 puntos]

b) Indique cuáles son los valores posibles que pueden tomar los números cuánticos de su electrón más externo en estado fundamental. [0,5 puntos]

c) Indique a qué grupo y periodo pertenece. [0,5 puntos]

d) Escriba una configuración electrónica del elemento en estado excitado. [0,5 puntos]

$\textbf{a) Escriba su configuración electrónica en estado fundamental. [0,5 puntos]}$

Se colocan los 15 electrones del fósforo llenando los orbitales por orden creciente de energía:

$\mathrm{P}\ (Z = 15): \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3$

Recuento: $2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15$ electrones. De forma abreviada, $[\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^3$.

$\textbf{b) Indique cuáles son los valores posibles que pueden tomar los números cuánticos de su electrón más externo en estado fundamental. [0,5 puntos]}$

Los electrones más externos son los tres del subnivel $3p$, y por la regla de Hund cada uno ocupa un orbital distinto con el mismo espín. Cualquiera de ellos tiene:

$n = 3$, el nivel donde se encuentra.

$l = 1$, porque el orbital es de tipo $p$.

$m_l = -1,\ 0 \text{ o } +1$, los tres valores permitidos, correspondientes a los tres orbitales $3p$; los tres electrones ocupan uno cada uno.

$m_s = +1/2$ para los tres, por convenio, ya que todos están solos en su orbital.

Una serie válida sería $(3,\ 1,\ +1,\ +1/2)$, y con los otros dos valores de $m_l$ se obtienen las de los otros dos electrones.

$\textbf{c) Indique a qué grupo y periodo pertenece. [0,5 puntos]}$

El $\textbf{periodo}$ lo da el mayor número cuántico principal ocupado, $n = 3$: el fósforo está en el $\textbf{periodo 3}$.

El $\textbf{grupo}$ lo dan los electrones de la capa de valencia, $3s^2\,3p^3$, que son cinco. Al terminar en un subnivel $p$ pertenece al bloque $p$ y le corresponde el $\textbf{grupo 15}$, el de los nitrogenoides.

Concuerda con su química: le faltan tres electrones para el octeto, y de ahí sus estados de oxidación $-3$, $+3$ y $+5$.

$\textbf{d) Escriba una configuración electrónica del elemento en estado excitado. [0,5 puntos]}$

Un estado excitado es cualquier distribución de los 15 electrones distinta de la de mínima energía, obtenida promocionando algún electrón a un orbital superior. Por ejemplo, llevando un electrón del $3s$ al $3p$:

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

o promocionando uno de los $3p$ al subnivel $4s$:

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

Las dos condiciones que hay que respetar son que el total siga siendo 15 electrones y que ningún subnivel supere su capacidad.

Vale la pena señalar que el primero de estos estados, $3s^1\,3p^4$ (cinco electrones desapareados), es el que explica que el fósforo pueda formar cinco enlaces, como en el $\mathrm{PCl_5}$.