Ejercicio resuelto de Sistema periódico · Química · 2020

a) Las siguientes configuraciones electrónicas representan estados excitados de los átomos: i) $1s^2 2s^2 2p^4 3s^2 3d^2$; ii) $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1 3d^{10} 4p^3 5s^2$. Para cada caso escriba la configuración electrónica del estado fundamental e indique el bloque de la tabla periódica al que pertenece cada elemento. Justifique las respuestas. [1,0 punto]

b) Los valores de electronegatividad en la escala de Pauling de los átomos $\text{C}$, $\text{H}$ y $\text{N}$ son 2,5; 2,1 y 3,0, respectivamente. A partir de estos datos y de la geometría de la molécula deduzca el carácter polar o no polar de la molécula $\text{HCN}$, que presenta una geometría molecular lineal. [1,0 punto]

$\textbf{a) Para cada caso escriba la configuración electrónica del estado fundamental e indique el bloque de la tabla periódica al que pertenece cada elemento. Justifique las respuestas. [1,0 punto]}$

Un estado excitado tiene los mismos electrones que el fundamental, pero mal repartidos: alguno ocupa un orbital de energía superior dejando huecos en otro de energía inferior. La estrategia es, por tanto, $\textbf{contar los electrones}$ —que son los mismos en los dos estados— y volver a colocarlos por orden creciente de energía.

$\textbf{i)}$ $1s^2\,2s^2\,2p^4\,3s^2\,3d^2$

$n(e^-) = 2 + 2 + 4 + 2 + 2 = 12 \quad \Rightarrow \quad Z = 12$

Se trata del $\textbf{magnesio}$. Se ve enseguida por qué la configuración dada es excitada: la subcapa $2p$ tiene solo cuatro electrones cuando podría alojar seis, y en cambio hay dos electrones en la $3d$, de energía muy superior. Recolocándolos por orden de llenado:

$\mathrm{Mg}: \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2$

Su última subcapa ocupada es una $s$, así que pertenece al $\textbf{bloque s}$; con dos electrones de valencia, al grupo 2 (alcalinotérreos) y al periodo 3.

$\textbf{ii)}$ $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1\,3d^{10}\,4p^3\,5s^2$

$n(e^-) = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 + 10 + 3 + 2 = 34 \quad \Rightarrow \quad Z = 34$

Se trata del $\textbf{selenio}$. La configuración dada es excitada por dos motivos a la vez: falta un electrón en la $4s$ y hay dos en la $5s$, que es de energía superior a la $4p$. Recolocando los 34 electrones por orden de llenado:

$\mathrm{Se}: \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^4$

Su última subcapa ocupada es una $p$, así que pertenece al $\textbf{bloque p}$; con seis electrones de valencia ($4s^2\,4p^4$), al grupo 16 y al periodo 4.

$\textbf{b) A partir de estos datos y de la geometría de la molécula deduzca el carácter polar o no polar de la molécula HCN, que presenta una geometría molecular lineal. [1,0 punto]}$

Hay que mirar dos cosas: la polaridad de los enlaces y cómo se suman sus momentos dipolares según la geometría.

$\textbf{Los enlaces.}$ La molécula es $\mathrm{H{-}C{\equiv}N}$, con dos enlaces distintos:

$\Delta\chi(\mathrm{H{-}C}) = 2{,}5 - 2{,}1 = 0{,}4$

$\Delta\chi(\mathrm{C{\equiv}N}) = 3{,}0 - 2{,}5 = 0{,}5$

Los dos son polares, moderadamente. En el $\mathrm{H{-}C}$ el par se desplaza hacia el carbono, y en el $\mathrm{C{\equiv}N}$, hacia el nitrógeno.

$\textbf{La geometría.}$ Aquí está la clave del ejercicio. Que una molécula sea lineal $\textbf{no}$ garantiza que sea apolar: eso solo ocurre si es además $\textbf{simétrica}$, con los dos extremos iguales. Y en el $\mathrm{HCN}$ los extremos son distintos, un hidrógeno y un nitrógeno.

Colocando los tres átomos en el eje, el momento dipolar del enlace $\mathrm{H{-}C}$ apunta del hidrógeno hacia el carbono, y el del $\mathrm{C{\equiv}N}$ del carbono hacia el nitrógeno: los dos vectores tienen el $\textbf{mismo sentido}$ a lo largo del eje, así que en lugar de cancelarse se $\textbf{suman}$. La molécula es, por tanto, $\textbf{polar}$, con el hidrógeno como polo positivo y el nitrógeno como polo negativo.

El contraste con el $\mathrm{CO_2}$ es lo que aclara el papel de la simetría: también es lineal, y también tiene enlaces polares, pero al ser $\mathrm{O{=}C{=}O}$ sus dos momentos son opuestos y se anulan, de modo que resulta apolar. La polaridad de la molécula depende, pues, de las dos cosas: de que los enlaces sean polares y de que la geometría no los cancele.