UNIDAD No. EL SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS (LA TABLA PERIÓDICA)

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1 UNIDAD No. LOGROS: Comprender los criterios de ordenación de los elementos químicos en la tabla periódica. Diferenciar e identificar las propiedades periódicas de los elementos químicos. Determinar la posición de los elementos en la tabla periódica a partir de su configuración electrónica. Reconocer la importancia de la configuración electrónica de los átomos en sus características y comportamientos químico. Determinar los números cuánticos para los átomos de diversos elementos de la tabla periódica. Graficar diversos átomos de elementos con base en datos aportados por sus configuraciones electrónicas. EL SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS (LA TABLA PERIÓDICA) Es un instrumento o herramienta basica para la quimica. En ella se clasifican los elementos quimicos de acuerdo con propiedades semejantes dentro de una misma columna vertical o grupo (familia) y según el orden creciente de sus números atomicos. Entre los años 1869 y 1871 Dimitri Ivanovich Mendeleiev en Rusia y Julius Lothar Meyer en Alemania, presentaron independientemente trabajos en los cuales demostraron como los elementos podian clasificarse sistematicamente con base en sus pesos y números atomicos. Hoy en día, se considera a Mendeleiev y Meyer como los inventores de la tabla periodica. La tabla periódica está dividida gráficamente en: COLUMNAS: Llamados grupos o familias, son en total 18 columna distribuidas en ocho grupos de serie A y ocho grupos de serie B, es de anotar que el octavo grupo de esta serie presenta tres columnas (subgrupos). Los grupos se representan con números romanos y a su vez se subdividen en: 1.- Grupos representativos: Son los que pertenecen o estan ubicados en los grupos A. 2.- Grupos de transición: Son los que pertenecen o estan ubicados en los grupos B. Algunos grupos o familias reciben nombre genéricos de acuerdo a propiedades que los caracterizan, así: El grupo IA, se les conoce con el nombre de alcalino (excepto el hidrógeno) El grupo IIA: Alcalinoterreos. Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 1

2 El grupo VIA: Anfígenos. El grupo VIIA: Halógenos. El grupo VIIIA: Gases nobles. HORIZONTALES: Son llamados periodos y están distribuidos en 7 filas horizontales, representados por los números arabigos del 1 al 7. Los elementos en la tabla periodica también estan clasificados de acuerdo a sus propiedades así: 1.- Metales: Se encuentran ubicados en la parte izquierda de la tabla periodica, excepto el hidrógeno que es un no metal. Los metales se caracterizan por ser sólidos (excepto el mercurio que es líquido), poseer brillo, ser maleables, buenos conductores de la electricidad y el calor entre otras características. 2.- No metales: Se localizan en la parte derecha de la tabla periodica. Presentan propiedades contrarias a los metales. A temperatura normal son gases o líquidos. Pertenecen a los no metales los siguientes elementos: Carbono (c), Nitrogeno (N), Fosforo (P), oxígeno (O), azúfre (S), selenio (Se), fluor (F), cloro (Cl), bromo (Br), yodo (I), helio (He), neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe), radón (Rn) y el hidrógeno (H). 3.- Metaloides: Estos elementos tienen propoiedades intermedias entre las de los metales y las de los no metales. Pertenecen a los metaloides los siguientes elementos: Boro (B), silicio (Si), germanio (Ge), arsénico (As), antimonio (Sb), telurio (Te), polonio (Po) y astato (At) (Dibujo de tabla periódica donde se clasifican los elementos como metales, no metales y metaloides) Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 2

3 (Dibujo de tabla periódica donde se clasifican los elementos por grupos, periodos, series representativa y de transición) LA DISTRIBUCIÓN O CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA LOS NIVELES ENERGÉTICOS: Es energía restringida con valores definidos que poseen los electrones dentro de los átomos. Los niveles energéticos son 7, algunos autores los representan con las letras K, L, M, N, O, P y Q, mientras que otros los representan con los números arábigos del 1 al 7. Según el nivel energético así mismo será la capacidad de alojar o albergar electrones, así por ejemplo: El nivel 1 o K máximo puede albergar 2 electrones. El nivel 2 o L máximo aloja 8 electrones. El nivel 3 o M máximo puede albergar 18 electrones, y así respectivamente hasta el nivel Q o 7. LOS SUBNIVELES ENERGÉTICOS: No todos los electrones de un átomo que están en un mismo nivel tienen la misma energía, a estos se les llamó subniveles. Los subniveles energéticos son 4 representados por las letras s, p, d y f. Según el subnivel así mismo será su capacidad de albergar electrones, por ejemplo: El subnivel s máximo puede albergar 2 electrones. El subnivel p máximo aloja 6 electrones. El subnivel d máximo alberga 10 electrones. El subnivel f máximo alberga 14 electrones. s 2 p 6 d 10 f 14 Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 3

4 (Gráfico para determinar la distribución electrónica de los átomos de los elementos químicos) LA DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS: Es la manera o forma como los electrones de un determinado átomo están distribuidos alrededor del núcleo de éste. La estructura de la tabla periódica y las similaridades entre los elementos de un mismo grupo pueden ser explicadas por la configuraciones electrónicas. Recordemos que la tabla está construida de tal manera que los elementos de propiedades semejantes están dispuestos en una misma columna vertical o grupo, razón por la cual a los grupos también se les dice familias. Determinación del periodo donde se encuentra un elemento: Para determinar el periodo en el cual se localiza u determinado elemento, se tiene en cuenta el número de niveles o circunferencia que tenga el átomo al graficarlo, es decir, si se dibujan dos niveles de energía o circunferencias, quiere decir que el elemento lo encontraremos en el periodo dos (2) de la tabla periódica; si dibujamos cinco (5) niveles de energía el elemento se localiza en el periodo 5 de la tabla periódica, y así respectivamente. Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 4

5 Determinación de bloques y grupos donde se encuentra un elemento: Para esto se deben tener en cuenta varios aspectos o recomendaciones, así: 1.- Para determinar el bloque en donde se encuentra o halla un elemento se debe tener en cuenta lo siguiente: a.- Si la distribución electrónica termina en el subnivel s o en el subnivel p el elemento lo encontramos o estará en los bloque A (elementos representativos). b.- Si la distribución electrónica termina en el subnivel d el elemento lo encontramos en los bloques B (elementos de transición). c.- Si la distribución electrónica termina en el subnivel f el elemento lo encontramos en los elementos de las series lantánidos y actínidos. 2.- El grupo exacto en la tabla periódica lo determinamos; teniendo en cuenta las siguientes recomendaciones: a.- Si la distribución electrónica termina en s o p el grupo lo determina el número de electrones que le dibujemos o realicemos al átomo en su última capa o último nivel de energía, es decir, si le dibujamos 3 electrones (punticos), quiere decir que el elemento se encuentra en el grupo III de la tabla periódica, si le dibujamos 7 punticos estará en el grupo VII, y así sucesivamente siempre y cuando la distribución electrónica termine en s o p. b.- Si la distribución electrónica termina en d, el grupo lo determinamos de la siguiente forma: Se suman los electrones que tengan el subnivel d y los electrones que tenga el último nivel de energía de la distribución electrónica realizada, así por ejemplo: Si la suma de los electrones da 3, el elemento se encuentra en el grupo III de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 4, el elemento se encuentra en el grupo IV de la tabla periódica. Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 5

6 Si la suma de los electrones da 5, el elemento se encuentra en el grupo V de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 6, el elemento se encuentra en el grupo VI de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 7, el elemento se encuentra en el grupo VII de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 8, el elemento se encuentra en el grupo VIII primera columna de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 9, el elemento se encuentra en el grupo VIII segunda columna de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 10, el elemento se encuentra en el grupo VIII tercera columna de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 11, el elemento se encuentra en el grupo I de la tabla periódica. Si la suma de los electrones da 12, el elemento se encuentra en el grupo II de la tabla periódica. El nivel de valencia: Es el nivel más exterior o última capa (circunferencia) de un átomo, aquel que tiene el mayor valor de n. Electrones de valencia: Son los electrones que pertenecen o se localizan en el nivel más exterior de un átomo. Teniendo en cuenta los conceptos de nivel y electrones de valencia, se puede obtenerlas siguientes generalizaciones: Todos los elementos de un mismo grupo tienen igual número de electrones de valencia. El número de electrones de valencia de los átomos de los elementos representativos determina el grupo a que pertenecen un elemento (esto es valido para los elementos que su distribución electrónica termina en S o P). Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 6

7 La configuración del nivel de valencia para los elementos de un grupo es similar y obedece a las siguientes expresiones generales. GRUPO TOTAL DE ELECTRONES DE VALENCIA CONFIGURACIÓN GENERAL DEL NIVEL DE VALENCIA IA 1 ns 1 IIA 2 ns 2 IIIA 3 ns 2 np 1 IVA 4 ns 2 np 2 VA 5 ns 2 np 3 VIA 6 ns 2 np 4 VIIA 7 ns 2 np 5 VIIIA 8 ns 2 np 6 (excepto el helio) n= número del periodo (nivel) Un estudio de las configuraciones electrónicas de los elementos por periodos nos permite obtener las siguientes conclusiones: Todos los elementos de un mismo periodo tienen el mismo o igual numero de niveles energéticos. El periodo al que pertenece un elemento en la tabla periódica está dado por el número de niveles energéticos que posean sus átomos. SIMBOLOS ELECTRÓNICOS O SIMBOLOS DE LEWIS: Con el fin de destacar los electrones de valencia de un átomo, se acostumbra a rodear el símbolo del elemento con puntos, el signo mas (+), el signo por (x), asteriscos, etc,. Esta forma de representación se conoce con el nombre de símbolo electrónico o símbolo de Lewis, en honor al químico americano G. N. Lewis. Ejercicios Determinar los símbolos electrónicos o de Lewis para los siguientes elementos: Magnesio (Z=12), Litio (Z=3) y Carbono (Z=6). Solución Paso No. 1: litio (Z=3). Se realiza la distribución electrónica para el 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 7

8 Paso No. 2: Se determina los electrones de valencia, mediante la graficación de un átomo de magnesio. Paso No. 3: Se hace la representación del símbolo Lewis. Mg Ejercicios 1.- Para los elementos que tiene como: Z = 17, Z = 28 y Z = 37, realizarle y determinarle para cada uno de ellos: a.- La configuración electrónica. b.- Gráfica de un átomo de este elemento. c.- Bloque. d.- Serie. e.- Periodo. f.- Grupo. g.- Electrones de valencia. h.- Nombre del elemento. i.- El símbolo Lewis. Solución Para el elemento de Z= 17 a.- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 b.- c.- A. d.- Elementos representativos. e.- 3. f.- VII g.- 5 electrones de valencia. h.- El cloro. i.- Cl Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 8

9 Para el elemento de Z= 28. a.- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8 b.- c.- B. d.- Elementos de transición. e.- 4. f.- VIII g.- 2 electrones de valencia. h.- El níquel. i.- Ni Para el elemento de Z= 37. a.- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 1 b.- c.- A. d.- Elementos representativo. e.- 5. f.- I. g.- 1 electrón de valencia. h.- El rubidio. i.- Rb Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 9

10 Ejercicios propuestos: 2.- Teniendo en cuenta la siguiente distribución electrónica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 realizarle y determinarle: a.- Gráfica de un átomo de este elemento. b.- Bloque: c.- Periodo: d.- Grupo: e.- Nombre del elemento: i.- Símbolo Lewis: 3.- Para un elemento que su distribución electrónica termina en 3s 2 3p 2, completarle, realizarle y determinarle: a.- Distribución electrónica: b.- Gráfica de un átomo de este elemento. c.- Grupo y bloque: d.- Periodo: e.- Nombre del elemento: i.- Símbolo Lewis: 4.- Para los elementos que tiene como: Z = 8, Z = 32 y Z = 54, realizarle y determinarle para cada uno de ellos: a.- La configuración electrónica. b.- Gráfica de un átomo de este elemento. c.- Bloque. d.- Serie. e.- Periodo. f.- Grupo. g.- Electrones de valencia. h.- Nombre del elemento. i.- Símbolo Lewis. Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 10

11 FORMAS Y TAMAÑOS DE LOS ORBITALES Un orbital es una región del espacio cercana al núcleo de un átomo, en donde es más probable hallar un determinado electrón de dicho átomo. Clases de orbitales: que son: Existen cuatro (4) clase de orbitales a.- De tipo S: Este forma un (1) orbital. b.- De tipo p: Este forma tres (3) orbitales. c.- De tipo d: Este forma cinco (5) orbitales. d.- De tipo f: Este forma siete (7) orbitales. Formas de los orbitales: Los orbitales de tipo s tienen forma circular o esférica, por ejemplo: 1s 2s 3s (Entre más alto sea el nivel de energía la circunferencia (orbitales) del subnivel s se hará más grande). Los orbitales de tipo p tienen forma de ocho, los tres orbitales p de un mismo subnivel tienen la misma forma, pero difieren en la orientación en el espacio, distinguiéndose como p x,, p y, p z, así por ejemplo: p x, p y p z (Entre más alto sea el nivel de energía los ochitos (orbitales) del subnivel p se hará más grande). La forma de los orbitales de tipo d es un poco más compleja y lo es todavía más la forma de los orbitales de tipo f. Por tal razón no haremos énfasis en ellas. Afortunadamente para la mayoría de nuestros propósitos sólo trabajares con los orbitales del tipo s y p. Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 11

12 El tamaño de un orbital está determinado por el nivel, esto quiere decir, que por ejemplo un orbital 2s es más grande que un orbital 1s y un orbital 4s es mucho más grande que ambos. El espin del electrón: El espín es una rotación que realiza el electrón alrededor de sus propio eje. Esta rotación puede ser en dos sentido, así: En dirección de las manecillas del reloj o en sentido contrario. Si dos electrones ocupan un mismo orbital, es decir, están apareados deben representarse gráficamente con los espines opuestos. Generalmente, se representan con flechas que apuntan en direcciones contrarias, así por ejemplo: 1s 2 o también De otro lado, cuando dos o más electrones ocupan distintos orbitales, o sea que están desapareados, sus espines deben estar en igual sentido, lo que se conoce como espines paralelos, así, por ejemplo: 2p 3 Y no Distribución de los electrones en los orbitales: para distribuir los electrones de un átomo dado en los orbitales disponibles, es necesario obtener en principio su respectiva distribución electrónica que, recordemos, es la distribución por subniveles. Luego basta repartir los electrones en cada subnivel en los distintos orbitales que éste forma, teniendo en cuenta la denominada regla de Hund o principio de máxima multiplicidad. Según esta regla los electrones de un mismo subnivel se distribuyen en el número máximo de orbitales que sea posible. Por ejemplo: Si queremos distribuir los electrones de 3d 5 según esta regla lo debemos hacer así: Y no Ejercicios Representar teniendo en cuenta las formas y tamaños de los orbitales, así como las diversas orientaciones en el espacio Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 12

13 de sus espines, para los átomos de los elementos que tienen como números atómicos los siguientes: 1.- Z= Z = Z= Z = Z= Z= 12 Solución 1.- a.- Su distribución electrónica es: 1s 2 2s 2 b.- La distribución de sus electrones por orbitales es: c.- La representación de acuerdo a la forma y tamaño de sus orbitales es: 2.- a.- Su distribución electrónica es: 1s 2 2s 2 2p 6 b.- La distribución de sus electrones por orbitales es: c.- La representación de acuerdo a la forma y tamaño de sus orbitales es: LOS NÚMEROS CUÁNTICOS: Estos nos permiten realizar una descripción completa de un electrón, indicándonos los estados de energía posibles para los electrones de un átomo Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 13

14 y con base en ellos se puede establecer la organización de los electrones dentro de cualquier átomo o su configuración. Los números cuánticos son los siguientes: 1.- Número cuántico principal: Se simboliza con la letra (n) minúscula, este indica el nivel energético, por ejemplo, si tenemos 2s 2, el valor para n es 2, y si tenemos4p 3 el valor de n será 4 y así sucesivamente. 2.- Número cuántico secundario o azimutal: Se representa con la letra (l) minúscula, este nos indica el subnivel energético. Este toma los valores desde 0 hasta 3 así, por ejemplo: Si el subnivel es s p d f El valor para (l) es Número cuántico magnético: Se representa con la letra (m), indica la orientación en el espacio de los distintos orbitales de un subnivel. Tiene valores que van desde -1 hasta +1 pasando por cero. Por ejemplo, para el orbital s, l=0 y el valor para m es también cero (si el orbital es s, l=0 y m=0); para los tres orbitales del tipo p, l=1, los correspondientes valores para m son -1, 0, +1. si el orbital es d, l=2 y los correspondientes valores para m serán -2, -1, 0, +1, +2 y así sucesivamente. 4.- Número cuántico del espín: Se simboliza con la letra s. Indica los diferentes sentidos de rotación del electrón sobre su eje, este número cuántico toma los valores de +1/2 o de -1/2. Es +1/2 ( ) si es en sentido de las manecillas del reloj y es -1/2 ( )si en sentido contrario Ejercicios 1.- Determinar los números cuánticos para los electrones del subnivel 3d 5 del manganeso (Mn) que tiene como Z=25. Solución a.- Se realiza la distribución electrónica del manganeso: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 b.- 3d 5 Se sacan el número total de orbitales para el subnivel con sus respectivos espines: c.- Se elabora una tabla de los números cuánticos, como la que a continuación se indica: Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 14

15 A B C D E Números cuánticos A B C D E n (nivel) l(subnivel) m (orbital) s (espin) +1/2 +1/2 +1/2 +1/2 +1/2 2.- Determinar los números cuánticos para los electrones del subnivel 2p 4 del oxígeno (O) que tiene como Z=8. Solución a.- Se realiza la distribución electrónica del flúor: 1s 2 2s 2 2p 4 b.- 2p 4 Se sacan el número total de orbitales para el subnivel con sus respectivos espines: 2p x 2p y 2p z c.- Se elabora una tabla de los números cuánticos, como la que a continuación se indica: A B C D Números cuánticos A B C D n (nivel) l(subnivel) m (orbital) s (espin) +1/2-1/2 +1/2 +1/2 3.- Predecir el conjunto de números cuánticos para los 6 electrones del átomo de Carbono (C). Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 15

16 Solución a.- El Carbono Tiene como Z = 6, entonces su distribución electrónica es: 1s 2 2s 2 2p 2 b.- Se sacan el número total de orbitales por cada subnivel de energía y se hace la distribución con sus respectivos espines: 1s 2 2s 2 2p 1 x 2p 1 y 2p 0 z c.- Se elabora la tabla de los números cuánticos, siguiendo las reglas ya vista para tal fin: A B C D E F Números cuánticos A B C D E F n (nivel) l(subnivel) m (orbital) s (espin) +1/2-1/2 +1/2-1/2 +1/2 +1/2 Ejercicios propuestos a.- Determinar los números cuánticos para los electrones del último nivel de energía del átomo de Aluminio (Al). b.- Hallar los números cuánticos para cada de los átomos que constituyen el elemento Sodio (Na). c.- Determinar los números cuánticos para los electrones del último nivel de energía del átomo de Nitrógeno (N). d.- Cuáles son los números cuánticos de los átomos del elemento Litio (Li). Nilxon RoMa-Lic. Química y Biología 16