QUÍMICA 3 CIENCIAS ESTRUCTURA ATÓMICA, NÚMEROS CUÁNTICOS Y CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

ESTRUCTURA ATÓMICA, NÚMEROS CUÁNTICOS Y CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

ESTRUCTURA ATÓMICA En la actualidad se acepta

que los quarks son, junto con los leptones, los

constituyentes elementales de la materia, pero para

los efectos del presente curso, vamos a mencionar la siguiente estructura atómica.

A. NÚCLEO ATÓMICO

A) El núcleo es de posición central, concentra casi la totalidad de la masa del átomo, aproximadamente (99,9%). Está formado por partículas sub−atómicas llamadas nucleones, siendo dos fundamentales: los protones y los neutrones.

1) Los protones.- El nombre proviene de la voz griega protus que significa primero.

Su masa es de 1,672x10–24 g

Carga eléctrica positiva =+1,6x10–19 Coulombio 2) Los neutrones fueron descubiertos por

Chadwick el año de 1932. Su masa es de 1,675 x 10–24 g Son eléctricamente neutros

1. NÚMERO ATÓMICO "Z"

Fue determinado por Moseley, para indicar el número de protones que hay en el núcleo de un átomo.

En todo átomo neutro la cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones.

Ejemplo:

El cloro tiene 17 protones, entonces Z = 17

2. NÚMERO DE MASA "A"

B) Está dado por la suma de los protones y los neutrones que hay en el núcleo de los átomos. La cantidad de protones no siempre es igual a la de neutrones.

Ejemplo:

Si el calcio tiene 20 protones y 20 neutrones, entonces su número de masa es 40. A = z + n Donde n = número de neutrones

REPRESENTACIÓN DE "z" y "A"

A_X Z Donde:

X es el símbolo del elemento.

Si observamos la representación: 55

25MN ; podemos afirmar que: a. Se trata del manganeso b. Tiene 25 protones c. Tiene 25 electrones d. Tiene 30 neutrones

Ejemplo:

1. La cantidad de neutrones excede en 3 al número de protones. Si el número de masa es 93, determina el número atómico.

Solución: z = número atómico n = z + 3 A = 93 A = z + n 93 = z + z + 3 90 = 2z Respuesta: Z = 45 ISÓTOPOS o HÍLIDOS

Son átomos de un mismo elemento, es decir tienen el mismo número atómico, pero diferente número de masa, por tener diferente número de neutrones.

1 2 3 4 5 6 7

1H; 1H; H; He ; He ; Li;1 2 2 3 3Li

ISÓBAROS

Son átomos que tienen el mismo número de masa pero diferente número atómico, por lo tanto pertenecen a elementos diferentes.

23 23 196 196 196

11Na; 12Mg; 78Pt ; 79Au; 80Hg

ISÓTONOS

Son átomos que tienen el mismo número de neutrones.

39 40 27 28

19K; 20Ca ; 13Al; 14Si

B. NUBE ELECTRÓNICA

C) La nube electrónica llamada también envoltura es el campo o espacio que rodea al núcleo en el cual se encuentran los electrones. La nube electrónica

representa el volumen del átomo. Los electrones (e-) son corpúsculos cuya masa es de 9,108 x 10–28 g (1836 veces menor que un protón o neutrón).

D) Su carga es –1,602 x 10–19 coulombio.

1. DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA

Los electrones en la nube electrónica están distribuidos de acuerdo a la cantidad de energía que poseen, los de menor energía están girando cerca al núcleo y los de mayor energía están más alejados del núcleo.

a. NIVELES DE ENERGÍA

Los electrones que tienen aproximadamente la misma energía se encuentran ocupando zonas o espacios llamados niveles o pisos de energía. De adentro hacia afuera se les designa como:

b. SUB NIVELES DE ENERGÍA

En cada nivel energético los electrones que lo pueblan no tienen exactamente la misma energía, lo cual motiva que existan subniveles energéticos. El número de subniveles es igual al nivel al que pertenece, siendo estos designados por las letras s, p, d, f ...

c. REEMPES U ORBITALES

Las regiones espacio-energéticos de manifestación probabilística electrónica

(REEMPE), albergan aquellos electrones que se diferencian en pequeñas cantidades de energía dentro de un sub nivel. La cantidad de reempes depende de los subniveles

s = 1

p = 3(px, py, pz)

d = 5

Es el giro que tiene un electrón sobre su eje imaginario, este giro hace que el electrón se comporte como un pequeño imán. Se acostumbra representar con flechas

NÚMERO MÁXIMO DE ELECTRONES POR NIVEL Y SUBNIVEL

Resumen de los niveles de energía, subniveles, orbitales y número máximo de electrones

Nivel de energía (n) Subnivel energético Nº de reempes en cada subnivel Nº máximo de e- en cada subnivel Nº máximo de e- en cada nivel 1 1s 1 2 2 2 _2p 2s ₃ 1 2 ₆ 8 3 3s 3p 3d 1 3 5 2 6 10 18

DIAGRAMA DE ENERGÍA CRECIENTE EN LOS SUBNIVELES

Nos permite determinar la distribución de los electrones en orden creciente, es conocida como la regla de Moeller o del serrucho.

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4 s 4 p 4 d 4 f 5 s 5p 5d 5 f 6s 6p 7 s

REGLA DE AUFAU. "Los electrones al poblar los

subniveles energéticos primero lo hacen en los de menor energía". DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA EN SUBNIVELES 1H = 1s1 8O = 1s2 2s2 2p4 11Na = 1s2 2s2 2p6 3s1 17Cl = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA ABREVIADA

REGLA DE HUND O DE LA MÁXIMA MULTIPLICIDAD

"Los electrones al llenar los orbitales o reempes de una misma energía es decir de un mismo subnivel, tienden a desaparearse o a permanecer desapareados".

DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA EN REEMPES (ORBITALES)

2He=↑↓_1s 4Be=↑↓_{1 s 2s}↑↓

6C= _1s↑↓ _{2s 2px 2py 2pz}↑↓ ↑ ↑

IÓN

Es el resto de un átomo que ha ganado o perdido electrones. ↑↓

Pueden ser:

IÓN (+) Cuando un átomo pierde electrones se

convierte en un ión positivo o catión, pues se dirige al cátodo.

( )

( )

IÓN (–) Cuando un átomo gana electrones se

convierte en un ión negativo o anión, pues se dirige al ánodo.

( )

( )

1. Cierto átomo tiene 16 electrones. Determina la cantidad de electrones que tiene su último subnivel.

Solución:

16J = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

El último subnivel es 3p4 y aquí encontramos 4 electrones.

PARÁMETROS O NÚMEROS CUÁNTICOS

La energía del electrón está cuantificado y para describir el estado espacio–energético de un electrón es necesario los cuatros parámetros o números cuánticos.

Denominación

actual Denominación antigua Representación permitidos Valores Se relaciona con el (la) Parámetro cuántico espacio energético fundamental o principal. Número cuántico principal. n Enteros positivos 1, 2, 3, 4, 5, ...

Magnitud del volumen

ocupado por la región espacio – energética de manifestación probabilística electrónica (reempe). Parámetro cuántico por forma. Número cuántico secundario, o de momento angular o azimutal. Cero y enteros positivos

hasta(n–1) Forma de la reempe

Parámetro cuántico por orientación. Número cuántico magnético. m Desde – l hasta + l incluyendo cero Número y posibilidades de orientación espacial de la reempe Parámetro

cuántico del spin. Número cuántico del spin del electrón ms +1/2 ( ) –1/2 ( )

Posibilidad de aceptación, o no aceptación de un electrón adicional en las reempes.

PRINCIPIO DE EXCLUSION DE PAULI

"Dos electrones de un mismo átomo no pueden tener jamás sus cuatro parámetros cuánticos iguales"

Contenido energético relativo de los subniveles.

Para hallar la cantidad de energía relativa de un subnivel se aplica: Er = n + , donde n = parámetro cuántico fundamental y  = parámetro cuántico por forma. Un subnivel es más estable cuando la energía es la más baja posible. Cuando dos subniveles tienen el mismo valor de Er es más estable o de menor energía relativa, aquel que tiene el menor valor de “n”.

EJERCICIOS DE CLASE

1. El número de masa y el número de protones en un átomo están en la relación de 16 a 7. Si el número de neutrones de su catión pentavalente es 15 unidades mayor que su número de electrones. Determine la carga nuclear de dicho átomo.

A) 30 B) 35 C) 40 D) 45 E) 50

2. Dos átomos A y B son isótonos. Si la suma de sus números atómicos es 76 y la diferencia de sus números de masa es 4. ¿Cuántos electrones tiene el átomo A?

A) 50 B) 40 C) 27

D) 45 E) 55

3. Cierto átomo tiene 30 neutrones y su número de masa es el doble de su número de protones. Determinar el número atómico.

A) 24 B) 23 C) 30 D) 21 E) 22

4. Responder "V" o "F" a las siguientes aseveraciones:

* Los valores n, l, ml, corresponden a un subnivel energético.

* Para algunos casos, el número cuántico principal puede tener el mismo valor numérico que el número cuántico azimutal.

* El subnivel "4p" está caracterizado por: n=4 y ℓ=0.

* Un orbital "p" puede contener 6 electrones como máximo.

A) VVFF B) FFVF C) VFVF

D) FVFV E) FFFF

5. En base a los siguientes átomos o iones:

3Li, 12Mg, 16S, 29Cu2+,26Fe3+

Responda verdadero (V) o falso (F) a las siguientes proposiciones:

I. Existen más paramagnéticos que diamagnéticos.

II. Los 2 iones son paramagnéticos. III. El Mg es diamagnético.

A) VVV B) VFF C) FVV

D) FVF E) FFF

6. El número de neutrones de un átomo "x" excede en dos a la semisuma de sus electrones y protones. Además su carga nuclear excede en uno a la carga nuclear máxima de un átomo "y" que tiene 2 subniveles "p" llenos. Hallar la cantidad de nucleones del átomo "x".

A) 130 B) 140 C) 74

D) 160 E) 175

7. El ión J2+ _{tiene el mismo número de electrones que} el ion X3+_{, cuyo último electrón distribuido,} presenta los números cuánticos (3 , 2, -1 ,-1/2). Determinar los probables números cuánticos del último electrón distribuido para el ion J2+_.

A) (3 , 2 , 1 , +1/2) B) (4 , 1 , 0 , - 1/2) C) (3 , 2 , -1 , +1/2) D) (3 ,2 , -1 , -1/2) E) (4 , 1 , 1 , +1/2)

8. ¿Cuál de las siguientes proposiciones es incorrecta?

A) 7N presenta 3 orbitales semillenos.

B) El Ti (Z = 22) es un átomo paramagnético. C) En la distribución: [Ne] 3S 3Px 3py↑↓ ↑↓ ↑_se

viola el principio de máxima multiplicidad. D) Las especies: 20Ca y 22Ti2+ son isoelectrónicos.

E) En la distribución: [Ar] 4S↑↑ se incumple con el principio de Exclusión de Pauli.

9. Identificar los cuatro números cuánticos del electrón desapareado del Rubidio (Z = 37).

A) 4,2,-2,+1/2 B) 5,1, 0,+1/2 C) 3,0,0,-1/2 D) 5,0, 0,+1/2 E) 3,2,-1,-1/2

10. ¿Cuáles de los números cuánticos son imposibles para un electrón en un átomo?.

I. (4, 2, 0, +1/2) II. (3, 3, -3, -1/2)

III. (2, 0, +1, +1/2) IV.

(4, 3, 0, +1/2) V. (3, 2, -2, -1)

A) sólo IV B) V y II C) II; III, IV D) I, III, V E) II, III, V

11. Considerando un átomo con 5 niveles. Calcular el máximo valor para la expresión:

n m E s  −  =      A) 20 B) 215 _{C) 2}20 _{D) 200 E) 2}16

12. ¿Cuántos electrones cumplen con la siguiente expresión de n.c. (5; 3; x; + 1/2)?; donde «x» es la variable?

A) 2 B) 7 C) 14 D) 5 E) 9

EJERCICIOS DE EVALUACIÓN

1. Para la especie química: 108Ag₄₇ + , indique la proposición incorrecta:

A) El número atómico de la plata es 47.

B) En 10 átomos de plata, existen 610 neutrones. C) El catión plata contiene 48 electrones.

D) El número de nucleones de la plata es 108. E) En 10 átomos de plata, existen 470 protones. 2. Se tiene tres isótopos con números de masa

consecutivos. Si el promedio de dichos números másicos es 16 y el isótopo más pesado posee 10 neutrones. Determine la suma de los neutrones de los otros dos.

A) 14 B) 15 C) 16

3. La suma de los números de masa de dos isótopos es 42 y su diferencia es 2. Si, además, el número atómico es la mitad del menor número de masa. Determine cuántos neutrones posee el isótopo más pesado.

A) 10 B) 12 C) 15

D) 18 E) 30

4. La suma de los números de masa de 3 isótopos es 120 y sus nucleones neutros suman 63. Determine el número de electrones de un ión de este átomo que al oxidarse se transforma en una especie monovalente.

A) 18 B) 19 C) 20

D) 21 E) 22

5. Determine el máximo valor que puede tomar la relación: m + n E = s        _{; para: n = 3.} A) 25 B) 50 C) 10 D) 100 E) 35

6. ¿Qué proposición es incorrecta?

I. En un determinado nivel, el orden de estabilidad de los subniveles es:

f < d < p < s

II. El orbital 1s es el de mayor estabilidad para todos los átomos.

III. Un orbital «f» presenta como máximo 2 electrones.

IV. El orbital «s» presenta forma dilobular. A) I y II B) Solo IV C) Solo II D) II y IV E) I y IV

7. Ordene de menor a mayor energía relativa los siguientes subniveles: 3s, 3p, 2s, 1s, 4d A) 4d, 3p, 2s, 3s, 1s B) 3p, 4d, 3s, 2s, 1s C) 1s, 2s, 3s, 3p, 4d D) 1s, 2s, 3p, 3s, 4d E) 3p, 3s, 4d, 2s, 1s

8. Con respecto a los números cuánticos presentados:

I. 3; 2; + 2; II. 4; 0; 0; III. 3; 1; 0;

Señalar lo incorrecto:

A) I posee mayor energía relativa. B) el orbital en II es de forma esférica. C) II y III presentan la misma energía. D) II presenta menor energía relativa. E) III es más estable que II.

9. Un átomo X es isótono con 70 _{Y (Z = 32) e isóbaro}

con 66Z. Determine cuántos electrones posee X3+.

A) 29 B) 25 C) 26

D) 31 E) 17

10. Para la configuración electrónica de la especio

65 2_{Zn .}

30 + ¿Qué electrón no se ubica en dicha

configuración?

A) 3, 2, +2, -1/2 B) 3, 2, -1, -1/2 C) 3, 2, 0, -1/2 D) 4, 0, 0, -1/2 E) 3, 1, -1, -1/2

11. Una especie química posee 16 orbitales llenos en su configuración electrónica y 40 neutrones en su núcleo. Indique su número de masa.

A) 56 B) 72 C) 74

D) 76 E) 78

12. Sabiendo que las especies isoelectrónicas son aquellas que tienen el mismo número de electrones y la misma configuración, ¿qué especies no son isoelectrónicas?

A) 56Ba2+ y 53I- B) 23V2+ y 21Sc

C) 21Sc3+ y 17Cl- D) 19K1+ y 20Ca2+

E) 17Cl- y 18Ar

13. Determine, ¿qué especie es diamagnética?

A) 26Fe B) 26Fe2+ _{C) 26Fe}3+

14. La razón entre la carga nuclear y el número de nucleones es 7/16; si, además, presenta el máximo número atómico con dos subniveles principales llenos. Calcule el total de neutrones de dicho átomo.

A) 40 B) 45 C) 55