Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2023

En la tabla se muestran los números atómicos, $Z$, las configuraciones electrónicas y el número de electrones desapareados de dos iones (1 y 2). Suponga que los dos electrones desapareados del ion 1 tienen espines paralelos. Indique, para cada ion, razonadamente, su carga eléctrica y si se encuentra en su estado fundamental o en uno excitado.

$$	$Z$	Configuración electrónica	N.º de electrones desapareados $\mathbf{1}$	$7$	$(1s)^2(2s)^2(2p)^4$	$2$ $\mathbf{2}$	$16$	$(1s)^2(2s)^2(2p)^6(3s)^2(3p)^3$	$1$

Hay que responder dos cosas para cada ion, y cada una se decide con un criterio distinto. La $\textbf{carga}$ sale de comparar el número de electrones de la configuración con el número atómico, porque el número de protones no cambia al formarse el ion:

$q = Z - n(e^-)$

Y para saber si está en el $\textbf{estado fundamental}$ no basta con que los orbitales se hayan llenado por orden de energía: hay que comprobar además la regla de Hund, según la cual los electrones de una misma subcapa se reparten en orbitales distintos con espines paralelos antes de emparejarse.

$\textbf{Ion 1}$

$n(e^-) = 2 + 2 + 4 = 8$

$q = 7 - 8 = -1 \quad \Rightarrow \quad \mathrm{N^-}$

Se trata, pues, del anión mononegativo del nitrógeno. La configuración $(1s)^2(2s)^2(2p)^4$ es la que corresponde a ocho electrones llenando por orden de energía, así que por ahí no hay objeción. Y en cuanto al reparto: en la subcapa $2p$, con cuatro electrones y tres orbitales, lo máximo que puede quedar desemparejado son dos, y el enunciado dice que hay dos, con espines paralelos. Eso es exactamente lo que exige la regla de Hund:

$2p: \quad (\uparrow\downarrow)\ (\uparrow)\ (\uparrow)$

El ion 1 está en su $\textbf{estado fundamental}$.

$\textbf{Ion 2}$

$n(e^-) = 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15$

$q = 16 - 15 = +1 \quad \Rightarrow \quad \mathrm{S^+}$

Es el catión monopositivo del azufre. La configuración $(1s)^2(2s)^2(2p)^6(3s)^2(3p)^3$ es también la que da el orden de llenado para quince electrones, pero aquí el dato de los electrones desapareados delata el problema. Con tres electrones en la subcapa $3p$, que tiene tres orbitales, la regla de Hund exige uno en cada orbital y los tres con espines paralelos, es decir, $\textbf{tres}$ electrones desapareados:

$3p\ \text{(fundamental)}: \quad (\uparrow)\ (\uparrow)\ (\uparrow)$

Y el enunciado dice que solo hay uno, lo que obliga a que dos de esos electrones estén emparejados en un mismo orbital dejando otro vacío:

$3p\ \text{(descrito)}: \quad (\uparrow\downarrow)\ (\uparrow)\ (\ )$

Esa distribución es de mayor energía, porque emparejar dos electrones en el mismo orbital cuesta energía de repulsión que no hace falta pagar habiendo un orbital libre. El ion 2 está, por tanto, en un $\textbf{estado excitado}$.

La comparación entre los dos casos es el sentido del ejercicio: la sucesión de subcapas es correcta en ambos, y lo único que distingue el estado fundamental del excitado es cómo se reparten los electrones dentro de la última subcapa.