QM-2 GUÍA CURSOS ANUALES. Ciencias Plan Común. Química Números Cuánticos y Configuración Electrónica.

Transcripción

1 QM-2 Ciencias Plan Común Química 2009 Números Cuánticos y Configuración Electrónica.

2 Contenidos: La presente guía tiene por objetivo proporcionarte distintas instancias didácticas relacionadas con el proceso de aprendizaje-enseñanza vinculado al curso de Química. Como cualquier otro material didáctico, requiere de la mediación del profesor y de tu estudio sistemático. Por esta razón, se han propuesto 10 ejercicios de desarrollo y 15 ejercicios tipo PSU, relacionados con los siguientes contenidos: Números cuánticos. Confi guración electrónica. Principio de Exclusión. Principio de Constitución. Principio de Incertidumbre. Podrás encontrar estos contenidos en el capítulo I del libro de Ciencias Plan común. Apredizajes esperados Conocer y trabajar con los números cuánticos. Conocer y trabajar con la configuración electrónica. Relacionar los números cuánticos con la configuración electrónica. Habilidades de la clase Cabe hacer notar la relevancia que tiene el hecho de escuchar atentamente la explicación de tu profesor, ya que la P.S.U. no es sólo dominio de contenidos, sino también dominio de habilidades. Estas habilidades se definen a continuación. Conocimiento: conocer información explícita que no implica un mayor manejo de contenidos. Se refi ere al dominio conceptual de los contenidos. 2 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

3 Comprensión: además del reconocimiento explícito de la información, ésta debe ser relacionada para manejar el contenido evaluado. Aplicación: es el desarrollo práctico tangible de la información que permite aplicar los contenidos asimilados. Análisis: es la más compleja de las habilidades evaluadas. Implica reconocer, comprender, interpretar e inferir información a partir de datos que no necesariamente son de conocimiento directo. Las habilidades medidas en esta guía son: Conocimiento. Comprensión. Aplicación. Análisis. Introducción En la actualidad, el modelo atómico más aceptado corresponde al modelo propuesto por Böhr y otros científi cos que basaron sus estudios en la mecánica cuántica. En este modelo, los electrones del átomo giran en torno al núcleo en unas órbitas determinadas por los números cuánticos. Luego, los números cuánticos son valores numéricos que describen e indican las características de los electrones de los átomos. n = 4 Estos números son cuatro y se denominan: número cuántico principal (n), número cuántico secundario (l), número cuántico magnético (m) y número cuántico de spin (s). n = 3 n = 2 n = 1 El número cuántico principal (n) determina el tamaño de las órbitas y se relaciona con la energía del nivel. Su valor puede ser cualquier número natural (n = 1, 2, 3, ). Representación del número cuántico principal. Cpech Preuniversitarios, Edición

4 El número cuántico secundario (l), indica la excentricidad de las elipses y la forma tridimensional de los orbitales. Su valor depende del número cuántico principal, por lo tanto, puede variar desde 0 hasta una unidad menos que éste, es decir, desde 0 hasta n-1. El número cuántico magnético (m) determina la orientación espacial de las órbitas de las elipses. Su valor dependerá del número de elipses existente y varía desde - l hasta l, pasando por el valor 0. De este modo, si el valor de l = 2, las órbitas podrán tener 5 orientaciones en el espacio, con los valores de m = -2, -1, 0, +1 y +2. Si l = 1, existen tres orientaciones posibles (-1, 0 y 1), mientras que si l = 0, hay una única orientación espacial posible y que corresponde al valor de m = 0. n = 1 I = 0 n= 2 n= 3 n= 4 I = 0 I = 1 I = 0 I = 1 I = 2 I = 0 I = 1I = 2 I = 3 Representación de la excentricidad indicada por el número cuántico secundario. El conjunto de estos tres números cuánticos determinan la forma y orientación de la órbita que describe el electrón y que se denomina orbital. Según sea el valor del número cuántico secundario (l), el orbital recibe un nombre distinto. Entonces, cuando l = 0, se denomina orbital s. Cuando l = 1, se denomina orbital p, cuando l = 2, orbital d, y cuando l = 3, orbital f. I = 0 I = 1 I = 2 m = 0 m = 1 m = 0 m = 1 m = 2 m = 1 m = 0 m = 1 m = 2 Representación del número cuántico magnético. 4 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

5 Ahora bien, dado que en un orbital cada electrón gira sobre si mismo, este giro se determina mediante un nuevo número cuántico denominado número cuántico de spin (s) y que puede tomar sólo dos valores, +1/2 y -1/2. Estos valores indican que el giro puede ser en el mismo sentido que el movimiento de su orbital o en sentido contrario a éste. s = +1/2 s = -1/2 Representación del número cuántico de spin. En general, los números cuánticos quedan representados a través de la confi guración electrónica. La confi guración electrónica del átomo de un elemento, corresponde a la ubicación de los electrones en los orbitales de los diferentes niveles de energía. Aunque en un átomo existen infi nitos orbitales, no se llenan todos con electrones, éstos sólo ocupan los orbitales con menor energía. Esta energía puede conocerse mediante la regla de Auf-Bau o de Constitución, que permite determinar el orden de llenado de los orbitales de la mayoría de los átomos. Según esta regla, el orden en el que se van llenando los niveles de energía es: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s, lo que se aprecia en el siguiente esquema. 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 4f 5f La confi guración electrónica de los elementos químicos tiene una absoluta correspondencia con el orden y lugar en que éstos aparecen en la tabla periódica, dado que los elementos se han ordenado de acuerdo con el valor creciente de su número atómico. En resumen, para escribir la configuración electrónica de un átomo es necesario: Conocer el número de electrones del átomo (Z = p + = e ). Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energía, comenzando desde el nivel más cercano al núcleo y utilizando el esquema de llenado de orbitales atómicos (Regla de la Diagonal). Cpech Preuniversitarios, Edición

6 Respetar la capacidad máxima de electrones permitidos para cada orbital (s = 2e, p =6e, d = 10e y f = 14e ). Verifi car que la suma total de los superíndices sea igual al número de electrones que posee el átomo. Ideas fuerza Las ideas fuerza constituyen las características fundamentales de los contenidos dados en cada clase, de modo que puedan serte útil para el posterior resumen del capítulo. En esta guía las ideas fuerza son: Los números cuánticos caracterizan al último electrón que posee el átomo. La confi guración electrónica es la distribución de los electrones dentro de los niveles de energía permitidos para un átomo. Para realizar una confi guración electrónica, se necesita conocer el número atómico del elemento y seguir las reglas de llenado de orbitales. 6 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

7 Láminas Power Point A continuación encontrarás las láminas correspondientes a la presentación Power Point que se desarrollará en esta clase. En las líneas ubicadas junto a cada lámina, podrás complementar tus apuntes de manera más eficaz. NÚMEROS CUÁNTICOS Para determinar la posición probable de un electrón en un átomo dependemos de una FUNCIÓN DE ONDA u ORBITAL. Las variables de la función son los números cuánticos n l m s Indica la energía de los orbitales Indica la forma de los orbitales Indica la orientación espacial de los orbitales Indica el sentido de rotación del electrón NÚMEROS CUÁNTICOS Número Principal o Energético Indica la distancia entre el núcleo y el electrón. Permite establecer el tamaño del orbital. Se visualiza en la forma de capas alrededor del núcleo n = 1, 2, 3, 4. Cpech Preuniversitarios, Edición

8 NÚMEROS CUÁNTICOS Número Secundario o de Momentum Angular l = 0, 1, 2, 3, 4.(n-1) Indica la forma tridimensional de los orbitales. Se visualiza en la forma de subcapas dentro de cada nivel energético. Puede existir más de un l por nivel energético. NÚMEROS CUÁNTICOS Número Magnético Indica la orientación en el espacio del orbital. Se establece sobre un eje de coordenadas. m = - l 0 + l NÚMEROS CUÁNTICOS n y l n = 4 l = 0, 1, 2, 3 4s 4p 4d 4f n = 3 l = 0, 1, 2 3s 3p 3d n = 2 l = 0, 1 2s 2p n = 1 l = 0 1s 8 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

9 NÚMERO CUÁNTICO m Orbital Tipo s 0 Orbital Tipo p Orbital Tipo d Orbital Tipo f CARÁCTERÍSTICAS DE ORBITALES Orbital tipo Valor l N orbitales Nľ _ s p d f ORBITAL s Cpech Preuniversitarios, Edición

10 ORBITAL p ORBITAL d ORBITAL f 10 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

11 NÚMERO CUÁNTICO s Número de Spin Indica el sentido de rotación del electrón sobre su eje. Es independiente de los otros números cuánticos. Puede adoptar dos valores. s = +_ o -_ CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Permite la completa descripción de la estructura de la electrósfera. Corresponde a una versión resumida de los números cuánticos de TODOS los electrones presentes en un átomo. CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Indica el número cuántico principal (n) 3p 1 Indica la cantidad de electrones existentes en un tipo de orbital Indica el número cuántico secundario (l ) Números cuánticos n = 3 l =1 m = -1 s = +1/2 incompleto Cpech Preuniversitarios, Edición

12 REGLAS QUE RIGEN LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA (PRINCIPIO DE AUFBAU) Principio de Mínima Energía (Regla de Madelung) Los orbitales se llenan desde el de menor energía en adelante. Energía = n + l. Principio de Exclusión (Regla de Pauli) No pueden haber dos electrones con sus cuatro números cuánticos iguales. Principio de Máxima Multiplicidad (Regla de Hund) Frente a dos orbitales de igual energía, los electrones se ubican de forma desapareada ESQUEMA DE CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7s 3d 4d 5d 6d 4f 5f 12 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

13 EJEMPLO Configuración electrónica para 11 electrones 11 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Números cuánticos n = 3 l = 0 m = 0 s = +_ SÍNTESIS Modelo Atómico Átomo divisible en Protón Carga: +1 Masa: 1 Neutrón Carga: 0 Masa: 1 Electrón Carga: -1 Masa: 1/1840 Núcleo Electrósfera SÍNTESIS Números cuánticos Principal Secundario Magnético Spin (n) (l) (m) (s) Energía y Tamaño Forma Orientación Espacial Rotación Configuración electrónica Cpech Preuniversitarios, Edición

14 Ejercicios de desarrollo A través de la resolución de este tipo de ejercicios, estarás desarrollando las habilidades de reconocimiento y de comprensión. 1. Indique si las siguientes aseveraciones son verdaderas o falsas. A) El principio de Hund señala que los electrones se ubican en forma desapareada dentro de los orbitales. V F B) El número cuántico principal indica la distancia entre el núcleo y el electrón. V F C) Para realizar una confi guración electrónica se requiere conocer el número másico del elemento. V F D) El número cuántico de spin depende del número cuántico magnético. V F E) Si el valor de l = 0, entonces el orbital se denomina p. V F 2. Defi na el principio de exclusión de Pauli. 3. Defi na el principio de Máxima Multiplicidad. 14 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

15 4. Señale las características del número cuántico secundario. 5. Qué valores puede tomar m cuando el número cuántico secundario vale 1? 6. Dibuje las posibles orientaciones espaciales del orbital p, ubicando la cantidad máxima de electrones permitidos. 7. Escriba la configuración electrónica del hierro ( 26 Fe) 8. Compare la confi guración electrónica del neón (10 Ne ), del ión fl uoruro (9 F ) y del ión sódico ( 11 Na + ). Cpech Preuniversitarios, Edición

16 9. Determine los cuatro números cuánticos para el último electrón de los siguientes átomos: Átomo Z n l m s He 2 N 7 Al 13 P Indique el número atómico e identifi que los siguientes elementos, de acuerdo con su confi guración electrónica. Elemento Configuración electrónica Número atómico W = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 X = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Y = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 Z = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 5 16 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

17 Ejercicios PSU Mediante el desarrollo de este tipo de ejercicios, estarás ejercitando las habilidades de reconocimiento, comprensión, aplicación y análisis. 1. Los calcógenos (grupo VIA) tienen una confi guración electrónica externa que obedece a la fórmula: A) ns 2 nd 10 B) ns 2 nd 6 C) ns 2 np 6 D) ns 2 np 5 E) ns 2 np 4 2. Los números cuánticos n=3, l=1, corresponden a la notación: A) 3p B) 3s C) 3f D) 1d E) 1f 3. La confi guración electrónica de un elemento es 1s 2 2s 2 2p 4. Con esta información, se puede afirmar que dicho elemento I. se clasifi ca como representativo. II. tiene 4 electrones de enlace. III. pertenece al segundo período y al grupo VIA de la tabla periódica. Es (son) correcta (s) A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y III. E) Sólo II y III. Cpech Preuniversitarios, Edición

18 4. La confi guración electrónica para el elemento 16 S 2- puede representarse por A) [ 10 Ne] 3s 2 3p 4 B) [ 10 Ne] 3s 1 3p 7 C) [ 10 Ne] 3s 2 3p 2 D) [ 18 Ar] 4s 2 E) [ 18 Ar] 5. La confi guración electrónica del elemento 12 Mg establece que la secuencia correcta de números cuánticos principal, secundario y magnético del último electrón son respectivamente A) n =3, l = 2, m = 0 B) n =2, l = 1, m = +1 C) n =3, l = 0, m = 1 D) n =2, l = 1, m = -1 E) n =3, l = 0, m = 0 6. Respecto de las siguientes configuraciones electrónicas I. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 II. [ 18 Ar] 4s 2 3d 5 III. [ 18 Ar] 4s 2 3d 10 4p 5 Es (son) elemento (s) halógeno (s) A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y III E) I, II y III. 18 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

19 7. El número cuántico principal (n) tiene relación con A) el nivel energético de un átomo. B) el giro del electrón dentro del átomo. C) el grupo al cual pertenece el átomo. D) el número de electrones de valencia del átomo. E) el orbital del átomo. 8. Los números de orbitales que forman los subniveles s, p, d y f son respectivamente: A) 2, 4, 6, 8 B) 1, 2, 3, 4 C) 2, 6, 10, 14 D) 1, 3, 5, 7 E) 1, 2, 4, 8 9. El número máximo de electrones en los subniveles s, p, d y f corresponden a: A) 2, 8, 18 y 32 B) 2, 6, 10 y 14 C) 4, 6, 8 y 10 D) 1, 2, 3, 4 E) 2, 5, 7 y Cuál de las siguientes afirmaciones corresponde al principio de Hund? A) Orbital es la región del espacio donde está la mayor probabilidad de encontrar un electrón. B) Los subniveles s, p, d y f contienen como máximo 2, 6, 10 y 14 electrones. C) El orbital s tiene forma esférica. D) Los electrones de un orbital deben tener spins contrarios. E) Todos los orbitales de un subnivel son llenados parcialmente, para después ser completados. Cpech Preuniversitarios, Edición

20 11. Un átomo que posee confi guración 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3, presenta en su capa más externa A) 1 electrón. B) 3 electrones. C) 5 electrones. D) 7 electrones. E) 11 electrones. 12. Si la última capa de un átomo neutro posee confi guración electrónica 3s 2 3p 6, su número atómico es A) 12 B) 14 C) 16 D) 18 E) Cuántos electrones puede haber en un átomo con los mismos números cuánticos? A) 0 B) 1 C) 2 D) 3 E) 4 20 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

21 14. Respecto de los siguientes iones I. +3 Al 13 II. 2+ Be 4 III. I 53 Cuál (es) presenta (n) configuración electrónica de gas noble? A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y II E) I, II y III 15. En cuanto al diagrama de orbitales de un átomo I. presenta un electrón desapareado. II. pertenece al grupo de los halógenos. III. tiene 5 electrones de valencia. Es (son) correcta (s): A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y II E) Sólo I y III z y x Cpech Preuniversitarios, Edición

22 Es importante que compruebes al fi nal de cada sesión si realmente lograste entender cada contenido. Para esto, verifi ca tus respuestas (alternativa correcta y habilidad) y luego, revísalas con la ayuda de tu profesor. Tabla de Especificaciones Pregunta Alternativa Habilidad 1 Reconocimiento 2 Análisis 3 Comprensión 4 Aplicación 5 Aplicación 6 Comprensión 7 Comprensión 8 Comprensión 9 Comprensión 10 Comprensión 11 Aplicación 12 Aplicación 13 Aplicación 14 Aplicación 15 Análisis Prepara tu próxima clase Durante la próxima clase se revisarán los siguientes contenidos: Elementos Representativos. Elementos de Transición y de Transición Interna. Propiedades periódicas: radio atómico, volumen atómico, afi nidad electrónica, electronegatividad, potencial de ionización. 22 Cpech Preuniversitarios, Edición 2009

23 Cpech Preuniversitarios, Edición

24 Registro de propiedad intelectual Nº del 29 de mayo de Prohibida la reproducción total o parcial de este instrumento.