Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2020

Dadas las configuraciones electrónicas de los átomos A: $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}$ y B: $1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{1}\,3p^{1}$, explique cada una de las siguientes afirmaciones e indique si alguna de ellas es falsa.

a) La configuración B corresponde a un metal de transición. [0,5 puntos]

b) A y B son átomos de elementos diferentes. [0,5 puntos]

c) Para pasar de la configuración A a la B se necesita suministrar energía. [0,5 puntos]

d) La configuración de A corresponde a un estado fundamental. [0,5 puntos]

Antes de juzgar los apartados conviene contar los electrones de cada configuración, que es donde está la clave del ejercicio:

$\mathrm{A}: \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2 \quad \Rightarrow \quad 2+2+6+2 = 12 \text{ electrones}$

$\mathrm{B}: \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\,3p^1 \quad \Rightarrow \quad 2+2+6+1+1 = 12 \text{ electrones}$

Las dos tienen 12 electrones, así que corresponden al mismo elemento, el magnesio. La diferencia es que en B uno de los electrones $3s$ ha sido promovido al subnivel $3p$.

$\textbf{a) La configuración B corresponde a un metal de transición. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Falsa.}$ Un metal de transición es, por definición, el que tiene un subnivel $d$ parcialmente ocupado, y en la configuración B no hay ningún electrón en orbitales $d$: el último electrón está en un orbital $3p$.

Con 12 electrones, el elemento es el $\textbf{magnesio}$, un alcalinotérreo del grupo 2 y del bloque $s$. Los primeros metales de transición aparecen en el periodo 4, a partir del escandio ($Z = 21$).

$\textbf{b) A y B son átomos de elementos diferentes. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Falsa}$, y es la afirmación central del ejercicio.

Lo que identifica a un elemento es su $\textbf{número atómico}$, es decir, el número de protones del núcleo, que en un átomo neutro coincide con el de electrones. Las dos configuraciones tienen 12, luego describen al mismo elemento, el magnesio.

Lo que cambia entre ellas no es el elemento, sino el $\textbf{estado energético}$: A es el estado fundamental y B, un estado excitado del mismo átomo. La distribución de los electrones puede cambiar; el núcleo, no.

$\textbf{c) Para pasar de la configuración A a la B se necesita suministrar energía. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Verdadera.}$ Pasar de A a B consiste en promocionar un electrón desde el subnivel $3s$ al $3p$:

$3s^2 \ \longrightarrow \ 3s^1\,3p^1$

El subnivel $3p$ tiene $\textbf{más energía}$ que el $3s$ del mismo nivel, porque los orbitales $p$ penetran menos hacia el núcleo y están más apantallados. Llevar un electrón a un orbital de mayor energía exige aportarle exactamente esa diferencia, normalmente absorbiendo un fotón o por choque.

El proceso inverso, la vuelta de B a A, libera esa misma energía en forma de radiación: es el origen de los espectros de emisión atómicos.

$\textbf{d) La configuración de A corresponde a un estado fundamental. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Verdadera.}$ El estado fundamental es el de mínima energía, y se obtiene colocando los electrones en los orbitales disponibles por orden creciente de energía, respetando el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund.

Con 12 electrones, ese llenado da exactamente:

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

que es la configuración A. Ningún electrón está en un orbital de mayor energía habiendo sitio en uno inferior, y ningún subnivel supera su capacidad. Es, pues, el estado fundamental del magnesio.