Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 13/11/2017 Pág. 1

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1 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág.. A y B son átomos de distintos elementos situados en el mismo período y que tienen 5 y 7 electrones de valencia, respectivamente. Responda, razonadamente, si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) A tiene mayor primera energía de ionización que B. b) B tiene menor afinidad electrónica que A. c) A tiene mayor radio atómico que B. 2. Considere los cuatro elementos con la siguiente configuración electrónica en los niveles de energía más externos: A: 2s 2 p 4 ; B: 2s 2 ; C: 3s 2 p 2 ; D: 3s 2 p 5. a) Identifique los cuatro elementos con nombre y símbolo. Indique grupo y periodo al que pertenecen. b) Indique un catión y un anión que sean isoelectrónicos con A 2. c) Justifique si la segunda energía de ionización para el elemento A es superior o inferior a la primera. d) En el espectro del átomo hidrógeno hay una línea situada a 434 nm. Calcule ΔE, en kj mol, para la transición asociada a esa línea. Datos: Constante de Planck, h = 6, J s ; Número de Avogadro, NA = 6, átomos mol ; Velocidad de la luz en el vacío, c = 3, m s 3. Conteste a cada una de las siguientes preguntas, justificando su respuesta. a) Determine para el átomo de hidrógeno según el modelo de Bohr qué transición electrónica requiere una mayor absorción de energía, la de n = 2 a n = 3, la de n = 5 a n = 6, o la de n = 9 a n = 2. b) Indique el grupo al que pertenece el elemento X si la especie X 2 tiene 8 electrones externos. c) En el átomo de Z = 25, es posible que exista un electrón definido como (3,, 0, ½)? d) En la Tabla periódica los elementos de Z = 25 y Z = 30 se encuentran en el mismo periodo. Explique cuál de ellos tiene un proceso de ionización más endotérmico. 4. Cuando una muestra de átomos del elemento con Z = 9 se irradia con luz ultravioleta, se produce la emisión de electrones, formándose iones con carga +. a) Escriba la configuración electrónica del átomo, indicando su grupo y periodo. b) Razone si el segundo potencial de ionización de estos átomos será mayor o menor que el primero. c) Calcule la velocidad de los electrones emitidos si se utiliza radiación con λ = 200 nm, sabiendo que el valor del primer potencial de ionización es 48,8 kj mol. Datos: Masa en reposo del electrón, m e = 9, 0 3 kg ; Constante de Planck, h = 6, J s ; Número de Avogadro, NA = 6, átomos mol 5. Dadas las siguientes configuraciones electrónicas externas: ns 2, ns 2 p 3 y ns 2 p 5, a) indique para cada una de ellas el grupo de la Tabla periódica al que pertenece y el número de oxidación más importante; b) escriba, para el valor n = 3, la configuración electrónica completa del elemento al que corresponde en cada caso e indique su símbolo químico; c) indique razonadamente el orden esperado en sus radios atómicos; d) indique razonadamente el orden esperado en sus energías de ionización. 6. Dadas las siguientes parejas de electrones: A: (2,, 0, ½) y (2,,, ½) ; B: (3,,, ½) y (2, 0, 0, ½) ; C: (, 0, 0, ½) y (, 0, 0, ½) ; D: (3, 2,, ½) y (2,,, ½). Sabiendo que cada pareja de electrones pertenece al mismo elemento: a) qué tipo de orbital está ocupando cada electrón?; b) escriba la configuración electrónica del estado fundamental del átomo al que pertenecen sabiendo que el electrón más energético de los dos corresponde con el más energético de su capa de valencia. Si los dos electrones se encontraran en el mismo nivel y subnivel ambos serían los más energéticos de la capa de valencia del átomo. c) Razone cuál de todos los átomos tiene una mayor primera energía de ionización.

2 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág Dados los elementos A (Z = 9) y B (Z = 36): a) escriba las configuraciones electrónicas de los átomos en estado fundamental indicando justificadamente el grupo y periodo al que pertenecen en la Tabla periódica. b) Justifique si los siguientes números cuánticos podrían corresponder al electrón diferenciador de alguno de ellos, indicando a cuál: (5,,, +½), (4, 0, 0, ½) y (4,, 3, +½). c) Justifique cuál de los dos elementos presenta menos reactividad química. 8. Dados los elementos A (Z = 9) y B (Z = 25): a) escriba las configuraciones electrónicas de los elementos neutros en estado fundamental y justifique el grupo y el periodo de cada uno de los elementos; b) justifique el carácter metálico o no metálico de cada uno de los elementos en base a una propiedad periódica; c) justifique el ion más estable de los elementos A y B. 9. El dióxido de carbono, CO2, es uno de los gases de efecto invernadero más conocidos, ya que absorbe parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra. El espectro infrarrojo, IR, del dióxido de carbono muestra que este gas absorbe intensamente la radiación electromagnética de 4,237 μm de longitud de onda. a) Calcule la frecuencia y la energía de esta radiación absorbida por el dióxido de carbono. b) Explique brevemente qué produce la radiación electromagnética infrarroja en una molécula de dióxido de carbono. Por qué las moléculas de este gas absorben solo ciertas longitudes de onda de radiación infrarroja? Datos: Constante de Planck, h = 6, J s ; Velocidad de la luz en el vacío, c = 3, m s Espectro IR del CO2 0. El dióxido de carbono, uno de los gases de la atmosfera, absorbe parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra. a) Explique qué le sucede a la molécula de dióxido de carbono cuando absorbe un fotón de radiación infrarroja. Por qué las moléculas de dióxido de carbono absorben sólo ciertas frecuencias de radiación infrarroja? b) Calcule la frecuencia y la longitud de onda de un fotón de radiación infrarroja que tiene una energía de, J. Datos: Constante de Planck, h = 6, J s ; Velocidad de la luz en el vacío, c = 3, m s. El primer y segundo potencial de ionización para el átomo de litio son, respectivamente: 520 y kj mol. Razone: a) la gran diferencia que existe entre ambos valores de energía; b) qué elemento presenta la misma configuración electrónica que la primera especie iónica; c) cómo varía el potencial de ionización para los elementos del mismo grupo 2. Explique la veracidad o falsedad de los siguientes enunciados: a) Para n = 2 hay 5 orbitales d. b) En el orbital 3p el número cuántico n vale. c) El número máximo de electrones con la combinación de números cuánticos n = 4 y ml = 2 es Explique, a partir de la configuración electrónica, las valencias covalentes del átomo de cloro (Z = 7). 4. Indique razonadamente: a) la posición en la Tabla periódica y el estado de oxidación más probable de un elemento cuyos electrones de mayor energía poseen la configuración 3s 2 ; b) si es metal o no metal un elemento de configuración electrónica de su capa de valencia 4s 2 p 5 ; c) por qué en los halógenos la energía de ionización disminuye a medida que aumenta el número atómico del elemento.

3 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág La figura siguiente muestra el radio atómico de los cuarenta y cinco primeros elementos de la Tabla periódica. a) Justifique, a partir de la estructura electrónica de los átomos, la variación del radio atómico al largo del segundo período de la Tabla periódica (números atómicos del 3 al 9). b) Compare el radio atómico del litio (Z = 3) y el del potasio (Z = 9) y justifique estos valores a partir de la estructura electrónica de los dos átomos. 6. La siguiente tabla proporciona los valores de las energías de ionización (ev) de tres elementos. Energía de ionización (ev).ª 2.ª 3.ª 4.ª Li 5,4 75,6 22,5 Na 5, 47,3 7,9 99, K 4,3 3,8 46, 6, a) Por qué la primera energía de ionización disminuye del litio al potasio? b) Por qué la segunda energía de ionización de cada elemento es mucho mayor que la primera? c) Por qué no se da el valor de la cuarta energía de ionización del litio? 7. La Tabla periódica se estructura en 8 grupos y 7 períodos: a) Cómo se caracterizan los elementos de un mismo período? b) Deduzca la configuración electrónica de un elemento con número atómico Z = 8. c) Para el elemento anterior y a partir de su configuración, determine el grupo y el período que ocupa en la Tabla periódica. d) Qué es lo que caracteriza la estructura electrónica de los elementos de este grupo? e) El Helio (Z = 2) constituye un ejemplo ilustrativo del apantallamiento entre electrones. A lo largo de un grupo, cómo varía el efecto de la carga nuclear efectiva sobre el electrón más externo? 8. Las energías de ionización nos ayudan a entender algunas diferencias cualitativas entre las estructuras electrónicas de elementos diferentes. La tabla siguiente muestra los valores de la primera energía de ionización del litio, el berilio y el boro. Elemento Li Be B Primera energía de ionización (kj mol ) 520,3 899,5 800,6 a) Explique justificadamente la diferencia que hay entre los valores de la primera energía de ionización de los tres átomos. b) Calcule la frecuencia mínima y la longitud de onda máxima de la radiación que puede ionizar los átomos de litio gaseoso en estado fundamental. Datos: Números atómicos, Z(Li) = 3 ; Z(Be) = 4 ; Z(B) = 5 ; Constante de Planck, h = 6, J s ; Número de Avogadro, NA = 6, átomos mol ; Velocidad de la luz en el vacío, c = 3, m s 9. Las frecuencias de un fotón de luz roja y de un fotón de luz violeta son: 4,3 0 4 s y 7, 0 4 s, respectivamente. a) Cuál tendrá mayor longitud de onda? Exprese el resultado en nanómetros. b) Calcule el número de ondas de cada uno de ellos. Datos: Velocidad de la luz en el vacío, c = 3, m s ; Suponga que el medio de transmisión es el vacío

4 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág Los átomos A, B, C y D corresponden a elementos del tercer período y tienen, 3, 5 y 7 electrones de valencia respectivamente. Conteste razonadamente a las siguientes cuestiones: a) Qué elemento tendrá mayor energía de ionización? Cuál tendrá mayor carácter metálico? Y mayor radio atómico? b) Qué fórmula tendrán los compuestos formados por A y D? Y los de B y D? 2. Observando esta gráfica, en la que se muestra la energía de ionización de los sesenta primeros elementos de la Tabla periódica, responda a las cuestiones siguientes: a) Defina el concepto de energía de ionización de un elemento. Justifique, a partir de la estructura electrónica de los átomos, por qué la primera energía de ionización es tan alta en los elementos situados en los picos de la figura. b) Compare la energía de ionización del Sodio (Z = ) con la del magnesio (Z = 2) y justifique los valores según las estructuras electrónicas de estos dos elementos. 22. Para el tercer nivel energético de un átomo polielectrónico, indique: a) el número de orbitales que pueden existir en ese nivel; b) cuántos orbitales son de tipos p, d y f; c) el orden de dichos orbitales de menor a mayor energía. Cuál será el más estable? Por qué? 23. Para un átomo en su estado fundamental, justifique si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) El número máximo de electrones con un número cuántico n = 3 es 4. b) Si en el subnivel 3p se sitúan 3 electrones habrá un electrón desapareado. c) En el subnivel 4s puede haber dos electrones como máximo. 24. Razone si las siguientes afirmaciones sobre el átomo de neón y el ion óxido, son verdaderas o falsas: a) Ambos poseen el mismo número de electrones. b) Contienen el mismo número de protones. c) El radio del ion óxido es mayor que el del átomo de neón. 25. Razone si son verdaderas o falsas las afirmaciones siguientes: a) La masa de un ion monovalente positivo es menor que la del átomo neutro correspondiente. b) El número atómico de un ion monovalente positivo es menor que el del átomo neutro correspondiente. c) La configuración electrónica de un átomo puede ser s 2 2s 2 2p 3 3s. 2 d) La diferencia entre el hidrógeno ( H) y el deuterio ( H) es el número de protones. 26. Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) Los elementos del primer grupo pueden formar compuestos iónicos con los elementos del grupo diecisiete. b) La afinidad electrónica puede ser positiva o negativa. 27. Razone si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) El número de elementos que se encuentran en el tercer periodo de la Tabla periódica es de ocho. b) La primera energía de ionización aumenta cuando aumenta el tamaño del núcleo. c) El principio de exclusión de Pauli dice que en mismo átomo no puede haber dos electrones con tres números cuánticos iguales. 28. Razone, considerando la carga nuclear efectiva, la diferencia de tamaño entre el átomo de cloro (99 pm) y el anión cloruro (8 pm). El número atómico del cloro es 7.

5 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Enuncie los tres principios básicos para determinar la distribución electrónica de un átomo: de exclusión de Pauli, de mínima energía y de máxima multiplicidad de Hund. b) Mediante las correspondientes configuraciones electrónicas, razone la valencia + para el sodio, +2 para el calcio y para el cloro. Datos: Números atómicos: Na (Z = ) ; Cl (Z = 7) ; Ca (Z = 20) 30. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Enuncie el principio de exclusión de Pauli. b) Qué define cada conjunto de números cuánticos n, l y ml? Deduzca si puede existir, en un átomo, más de un electrón con los números cuánticos: n = 2, l = y ml = 0. c) Cuántos electrones, como máximo, puede tener un átomo con los siguientes valores de los números cuánticos n = 3 y l = 2? Qué define cada conjunto de números cuánticos n y l? d) Enuncie el principio de máxima multiplicidad de Hund e indique los electrones desapareados que existen en cada uno de los átomos e iones siguientes: nitrógeno, magnesio, catión hierro(iii). 3. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Indique el número cuántico, y sus posibles valores, que representa según la teoría mecanocuántica: a.) la energía de un orbital; a.2) la orientación espacial de un orbital. b) Los elementos X e Y ocupan las posiciones de la Tabla periódica que se indican a continuación: X (periodo, 4; grupo, 3); Y (periodo, 4, grupo, 7). Indique el elemento que presentará el valor más alto del radio atómico. 32. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) En relación con la estructura atómica, a.) defina el concepto de isótopo; a.2) Si un isótopo de un elemento tiene el símbolo 0 2 A, establezca el elemento químico de que se trata y el significado de los índices. b) En relación con el estado de oxidación formal de los elementos, b.) defina el concepto de estado o número de oxidación de un elemento; b.2) determine, justificándolo, el estado de oxidación formal de los elementos químicos que forman parte de las especies siguientes: O2, CO2, H2SO4, ClO Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Explique el concepto de orbital y relacione las características de los orbitales tipo p con los números cuánticos que los describen. b) Indique la configuración electrónica en su estado fundamental para los elementos rubidio, hierro y cloro. Señale para cada uno su grupo y periodo. Indique los cuatro números cuánticos del último electrón, electrón diferenciador, del rubidio. Datos: Números atómicos: Cl (Z = 7) ; Fe (Z = 26) ; Rb (Z = 37) 34. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Indique el número de electrones desapareados que presenta, en su estado fundamental, el átomo de Se (Z = 34). b) Un electrón que se aloja en un orbital 3d, podría tener el siguiente conjunto de números cuánticos: (3, 2, 3, ½)? c) Cuál de los siguientes elementos presenta un mayor radio atómico: S o Se? 35. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Justifique cuál de las siguientes especies, Li + y He, tiene mayor radio. b) Razone cuál de los siguientes elementos, O y N, tiene mayor afinidad electrónica. c) Justifique cuál de los siguientes elementos, Na y Cl, tiene mayor energía de ionización.

6 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Razone si es posible encontrar la configuración electrónica s 2 2s 2 p 6 en diferentes átomos. b) Calcule la longitud de onda medida en nanómetros de la radiación que se precisa para extraer un electrón del primer elemento del segundo grupo de la Tabla periódica sabiendo que su primera energía de ionización es de 900 kj mol. Datos: Velocidad de los electrones desprendidos, ve = 0 m s ; Número de Avogadro, NA = 6, átomos mol ; Constante de Planck, h = 6, J s ; Velocidad de la luz en el vacío, c = 2, m s 37. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Escriba la configuración electrónica de los iones S 2 y Fe 3+. b) Indique un catión y un anión que sean isoelectrónícos con S. c) Justifique por qué la segunda energía de ionización del magnesio es mayor que la primera. 38. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Qué caracteriza, desde el punto de vista de la configuración electrónica, a un metal de transición? b) Indique la configuración electrónica del ion hierro(ii) y justifique la existencia de ese estado de oxidación. c) Por qué existen siete clases de orbitales f? 39. Responda, razonadamente, las siguientes cuestiones: a) Comente las diferencias de configuración electrónica entre los elementos de los grupos 2, 8 y 6 de la Tabla periódica. b) Justifique cómo varía la electronegatividad dentro de cada grupo y compare el tamaño de los elementos Be, Fe y O, que son los de menor número atómico de cada uno de los tres grupos citados. 40. Sabiendo que el boro es el primer elemento del grupo trece de la Tabla periódica, conteste razonadamente si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La energía de ionización es la energía que desprende un átomo, en estado gaseoso, cuando se convierte en ion positivo. b) La energía de ionización del boro es superior a la del litio (Z = 3). c) La configuración electrónica del boro le permite establecer tres enlaces covalentes. d) El átomo de boro en el BH3 tiene un par de electrones de valencia. 4. Sabiendo que los números atómicos del argon y del potasio son 8 y 9 respectivamente, razone sobre la veracidad de las siguientes afirmaciones: a) El número de electrones de los iones K + es igual al de los átomos neutros del gas argon. b) El número de protones de los iones 39 K + es igual al de los átomos 40 Ar. c) Los iones K + y los átomos de gas argon no son isótopos. d) El potasio y el argon tienen propiedades químicas distintas. 42. Se lleva a cabo un proceso mediante el cual la configuración electrónica de un átomo neutro pasa de s 2 2s 2 p 6 3s 2 a s 2 2s 2 p 6 3s p. Indique, justificando brevemente la respuesta, si son ciertas o falsas las siguientes afirmaciones: a) El proceso necesita energía para llevarse a cabo. b) El proceso es imposible ya que cada elemento tiene una única configuración electrónica. c) El proceso corresponde a una hibridación sp. d) El proceso supone la ionización del átomo. 43. Sean las siguientes combinaciones de números cuánticos para un electrón: I) (, 0, 2, ½) ; II) (5, 0, 0, +½) ; III) (3, 2, 2, ½) ; IV) (0, 0, 0, +½). a) Justifique cuál o cuáles de ellas no están permitidas. b) Indique el orbital en el que se encuentra el electrón para las que sí son permitidas. c) Ordene, razonadamente, dichos orbitales según su valor de energía creciente.

7 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág Sean los elementos X e Y de número atómico 38 y 35, respectivamente. a) Escriba sus configuraciones electrónicas. b) Razone cuáles serán sus iones más estables. c) Justifique cuál de estos iones tiene mayor radio. 45. Tres elementos tienen las siguientes configuraciones electrónicas: A: s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6, B: s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 4s y C: s 2 2s 2 p 6 3s 2. La primera energía de ionización de estos elementos (no en ese orden) es: 49 kj mol, 735 kj mol y 527 kj mol, y los radios atómicos son 97, 60 y 235 pm ( pm = 0 2 m). a) Indique de qué elementos se tratan A y C. b) Relacione, de forma justificada, cada valor de energía con cada elemento. c) Asigne, de forma justificada, a cada elemento el valor del radio correspondiente. 46. Un átomo tiene 34 protones y 44 neutrones y otro átomo posee 9 protones y 20 neutrones: a) Indique el número atómico y el número másico de cada uno de ellos. b) Escriba un posible conjunto de números cuánticos para el electrón diferenciador de cada uno de ellos. c) Indique, razonadamente, cuál es el ion más estable de cada uno de ellos y escriba su configuración electrónica. 47. Un elemento tiene como número atómico de Z = 26. a) Escriba su configuración electrónica. b) Indique el grupo y el periodo al que pertenece. c) Se sabe que una muestra de 7,00 g de este elemento puro contiene 7, átomos de dicho elemento. Calcule su masa atómica. d) Justifique el enlace que presenta este elemento como sustancia pura. Datos: Número de Avogadro, NA = 6, átomos mol 48. Un elemento tiene la siguiente configuración electrónica: s 2 2s 2 p 6 3s. a) Cuál es su situación en la Tabla periódica? b) Qué características tienen los elementos de este grupo? c) Explique su valencia y escriba la configuración electrónica del ion más estable que forma.

8 Problemas de Química 2.º Bachillerato Estructura atómica 3//207 Pág Una industria química ha utilizado la espectroscopia de infrarrojo, IR, para identificar un compuesto puro. Experimentalmente se ha obtenido el espectro anexo. a) Qué le sucede a una molécula cuando absorbe radiación infrarroja? Justifique si el compuesto puro es el propan 2 ol o el ácido propanoico. b) La zona de 700 a 200 cm de un espectro IR se denomina huella dactilar y es característica de cada compuesto. En el espectro obtenido se observa un pico intenso a 900 cm en esta zona. Calcule la longitud de onda, la frecuencia y la energía de este pico. Datos: Constante de Planck, h = 6, J s ; Velocidad de la luz en el vacío, c = 3, m s Absorción de diferentes tipos de enlace en la región del infrarrojo Enlace C H O H Tipo de compuesto Intervalo de número de onda (cm ) alcanos (C C H) ; alquenos (C=C H) ; alcoholes ácidos carboxílicos C O C=O alcoholes, éteres, ácidos carboxílicos, esteres aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, esteres