Solucionario Cuaderno Estrategias y Ejercitación Modelo atómico de la materia II: números cuánticos y configuración electrónica

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1 Solucionario Cuaderno Estrategias y Ejercitación Modelo atómico de la materia II: números cuánticos y configuración electrónica Química Técnico Profesional Intensivo SCUACTC002TC83-A16V1

2 Ítem Alternativa Habilidad 1 C Reconocimiento 2 E Comprensión 3 D Comprensión 4 D Aplicación 5 C Aplicación 6 D ASE 7 C Comprensión 8 B Reconocimiento 9 C Comprensión 10 B Comprensión 11 E Aplicación 12 D ASE 13 D Aplicación 14 D Aplicación 15 D Aplicación 16 C Aplicación 17 B Aplicación 18 B Comprensión 19 E ASE 20 C ASE

3 EJERCITACIÓN Ítem Alternativa Defensa 1 C El número cuántico secundario o de momento angular, también denominado azimutal ( ), indica la forma tridimensional (tipo de orbital) de los orbitales y se visualiza en la forma de subcapas dentro de cada nivel energético. 2 E Según el Principio de exclusión de Pauli, en un átomo no pueden existir dos electrones con el mismo conjunto de números cuánticos. Si dos electrones tienen los tres primeros números cuánticos iguales, significa que se encuentran en un mismo orbital, por lo que necesariamente deben tener distinto número cuántico de espín (s), lo cual significa que cada uno de ellos tendrá diferente sentido de giro. 3 D Para un electrón ubicado en el orbital 3d, sus números cuánticos n y corresponden a: n = 3 3d l =2 4 D La configuración electrónica del átomo de oxígeno (Z = 8) es 1s 2 2s 2 2p 4. El penúltimo electrón corresponde a la configuración 2p 3, por lo que sus cuatro números cuánticos son: n = 2 2p l =1

4 m puede tomar valores desde a +, por lo que pueden ser: El penúltimo electrón del oxígeno se ubica en el eje +1, por lo que m = +1 y el valor de spin es igual a s = +1/2, debido a que se encuentra desapareado. 5 C A partir de los números cuánticos, se debe identificar la configuración electrónica del último electrón. Se tiene que: n = 3 y = 2 3d Recordando que, m =,,o,,+, y teniendo spin 1/2, que corresponde a electrones apareados, los electrones del átomo se distribuyen tal y como se indica a continuación, por lo que se tiene una configuración del último electrón (señalado en rojo en el esquema anterior) de 3d 9. Para la determinación del número atómico del elemento se debe desarrollar su configuración electrónica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 [Ar]4s 2 3d 9 Esto entrega una cantidad de 29 electrones, y al ser un elemento neutro se tienen también 29 protones, por lo que su número atómico Z es igual a D En la Figura 1 aparecen tres orbitales esféricos, por lo que se puede asumir que corresponden a orbitales de tipo s (alternativa A incorrecta), determinados por el número cuántico secundario = 0 (alternativa C incorrecta). Estos tres orbitales se diferencian en el tamaño, el cual depende del número cuántico principal, n. En la Figura 2 se pueden observar tres orbitales, formados cada uno de ellos por dos lóbulos iguales que se proyectan a lo largo de un eje, lo que corresponde a la forma de los orbitales de tipo p ( = 1) (alternativa B incorrecta). Los tres orbitales tienen el mismo tamaño, por lo que su número cuántico principal es igual (alternativa D correcta). La diferencia entre los tres está en su

5 orientación a lo largo de los ejes x, y o z. Esta diferencia está dada por el número cuántico terciario o magnético (m). El número cuántico secundario ( ), determina la forma del orbital y esta es igual para los tres orbitales de la Figura 2 (alternativa E incorrecta). 7 C Habilidad de pensamiento científico: Análisis del desarrollo de alguna teoría o concepto. Como señala la teoría atómica, los átomos pueden sufrir transiciones electrónicas al ser excitados. Al regresar a su estado fundamental, estos electrones emiten energía de determinada frecuencia, generando espectros de emisión característicos de cada átomo. Así, es posible identificar los átomos contenidos en una muestra y también cuantificar sus concentraciones a partir del análisis de los espectros de absorción, por ejemplo, mediante la técnica de espectrometría de absorción atómica. 8 B La afirmación es imposible conocer simultáneamente la posición y el momento (cantidad de movimiento) de una partícula corresponde al principio de incertidumbre de Heisenberg. 9 C La capa mas externa corresponde al nivel 3, en donde se observan 6 electrones, 2 en el orbital 3s y 4 en el orbital 3p. 10 B Una de las reglas que rigen la configuración electrónica, corresponde a la regla de Aufbau, que indica que los electrones deben ir situados en un orden creciente de energía en su configuración electrónica. La única alternativa que muestra una configuración que cumple con esta regla corresponde a la alternativa B, considerando el orden de llenado indicado en el siguiente esquema: 11 E El argón (Ar), es un gas noble de número atómico Z = 18. Por lo tanto, tiene 18 electrones distribuidos de la siguiente forma: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Esta misma configuración electrónica corresponde también al ion

6 Cl, ya que el número atómico del cloro (Cl) es 17 y tiende a ganar un electrón, alcanzando la configuración electrónica del argón, que es su gas noble más cercano, para dar lugar al anión correspondiente. Lo mismo ocurre en el caso del potasio (K), cuyo número atómico es 19 y que tiende a perder el último electrón, obteniendo también la configuración electrónica del argón y formando un catión de carga +1. El número atómico del magnesio (Mg) es 12, por lo que el ion Mg 2+ tiene 10 electrones, es decir, la misma configuración electrónica que el neón (Ne). 12 D La configuración electrónica del carbono (Z = 6) en su estado natural (basal o fundamental) es: 1s² 2s² 2p² Sin embargo, para obtener la tetravalencia característica del carbono en los compuestos orgánicos, se requiere un estado excitado del átomo de carbono, que ocurre cuando este recibe una excitación externa y uno de los electrones del orbital 2s salta al orbital 2p z. Por lo tanto, la configuración electrónica del carbono en estado excitado es: 13 D El ion sodio (Na + ) presenta 10 electrones debido a que pierde un electrón, quedando con carga positiva. Así, queda con la configuración electrónica del gas noble neón (Ne; Z = 10), por lo que su configuración electrónica corresponde a 1s 2 2s 2 2p 6 [Ne]. 14 D En el nivel electrónico 4, se pueden encontrar orbitales del tipo s, p, d y f, sabiendo que: Tipo de orbital s p d f

7 Cantidad de electrones Podemos calcular que en total se tienen 32 electrones en el nivel D Para la identificación del elemento se debe desarrollar la configuración electrónica hasta llegar al orbital 4s 2 y sumar los electrones, cuyo número es igual a la cantidad de protones, debido a que se pregunta por un átomo neutro. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 total 20 e 20 p + Por lo que el átomo solicitado presenta un número atómico Z = 20, que corresponde al elemento calcio (Ca). 16 C Habilidad de pensamiento científico: Procesamiento e interpretación de datos y formulación de explicaciones, apoyándose en los conceptos y modelos teóricos. De acuerdo a la información proporcionada podemos establecer los siguientes valores para el número de protones, electrones, neutrones y número másico: Especie p+ e- n A X Y W En la tabla podemos observar que las tres especies tienen el mismo número de protones (alternativa C correcta), pero difieren en el número de electrones (alternativa B incorrecta). Dos de las especies tienen la misma cantidad de neutrones y el mismo número másico (Y y W), pero con la información proporcionada no podemos saber cuáles son estos valores para X, por lo que no se puede afirmar que todas tengan el mismo número de neutrones o el mismo número másico (alternativas D y E incorrectas). Finalmente, en el enunciado se señala que Y es un átomo y no un ion, por lo tanto, solo las especies X y W están cargadas (alternativa A incorrecta). 17 B El número másico corresponde a la suma de los protones y neutrones y representa la masa del elemento. Se conoce la configuración electrónica de un ion de carga 2, que presenta 18 electrones, por lo que la cantidad de protones es de

8 16. Conociendo la cantidad de neutrones, se tiene: A = p + + n = = B Para el átomo de potasio (K), su configuración electrónica basal 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 permite establecer que tanto el primero como el segundo nivel de energía se encuentran completos, al tener 2 y 8 electrones respectivamente. El tercer nivel de energía, en cambio, se encuentra incompleto ya que presenta 8 electrones y el tercer nivel permite un máximo de 18 electrones. El cuarto nivel, con un solo electrón, también está incompleto. 19 E El principio de exclusión de Pauli establece que en un átomo no puede haber dos electrones que tengan los cuatro números cuánticos iguales. Por lo tanto, cuando dos electrones se encuentran en el mismo orbital, deben diferenciarse en el número cuántico de spin (s), que determina el sentido de giro del electrón dentro del orbital. Gráficamente, este sentido de giro se representa con una flecha que apunta hacia arriba cuando s = +1/2 o hacia abajo cuando s = 1/2. Por lo tanto, en el ejercicio este principio se incumple en la configuración de la alternativa E, donde el orbital 2p x tiene dos electrones con el mismo spin, representados por dos flechas que apuntan hacia arriba. 20 La configuración electrónica del hierro es 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 De forma abreviada, utilizando la configuración del argón (Z = 18) se puede representar como: [Ar] 4s 2 3d 6 Esto coincide con la configuración semidesarrollada dada en el ejercicio, pero el diagrama de orbitales presenta un problema en la distribución de los electrones dentro de orbitales del mismo nivel de energía, puesto que no se cumple el principio de máxima multiplicidad de Hund. Esta regla plantea que en orbitales de igual energía (como los cinco d) los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus espines paralelos, es decir, desapareados. Por lo tanto, en el caso del ejercicio, la distribución de electrones debería ser la siguiente:

9 La alternativa A no es correcta porque no existen electrones con el mismo spin dentro de un mismo orbital, por lo que no se puede afirmar que se incumpla el principio de exclusión de Pauli. La alternativa B tampoco es correcta porque un átomo ionizado es aquel que tiene mayor o menor cantidad de electrones que de protones. Como el número atómico del hierro es Z = 26, tiene 26 protones, por lo tanto, la configuración dada corresponde al átomo neutro, ya que tiene 26 electrones. La alternativa D es incorrecta porque el orden de llenado de los orbitales en función de su energía, según el principio de Aufbau sí se ha respetado en la configuración dada (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d). Por último, la alternativa E también es incorrecta porque un estado excitado se alcanza en un átomo cuando, al recibir energía adicional, un electrón se mueve a un orbital de mayor energía, lo cual no ocurre en este caso.