Cómo son las configuraciones electrónicas de los elementos que forman una familia? Nivel: 2º Medio Subsector: Ciencias químicas Unidad temática: Actividad: Cómo son las configuraciones electrónicas? En total se conocen más de 118 elementos que forman toda la materia. Organizar estos elementos utilizando un criterio sencillo y de fácil aproximación para su conocimiento, no ha sido fácil. La organización y tabulación que hoy en día conocemos se le debe al químico ruso Dimitri Mendeleiev. Este científico se basó en la recurrencia periódica y regular de las propiedades de los elementos en ese momento conocido. Esta organización del sistema periódico hizo posible la predicción de las propiedades de varios elementos que aún no habían sido descubiertos. Actualmente la Tabla Periódica está ordenada en siete filas horizontales llamadas periodos y 18 columnas (verticales), llamadas grupos o familias. Los periodos indican el último nivel enérgico que tiene un elemento mientras que los grupos indican el número de electrones en la última capa. De acuerdo con el tipo de subnivel que ha sido llenado los elementos se pueden dividir en distintas categorías: - Elementos representativos: conforman los grupos 1A hasta 7A. - Metales alcalinos: corresponden al grupo 1A. - Metales alcalinotérreos: forman el grupo 2A de la Tabla Periódica. - Gases nobles: conforman el grupo 8A. - Elementos de transición (o metales de transición): elementos 1B y del 3B hasta el 8B. - Lantánidos y Actínidos: se les llama también elementos de transición interna del bloque f. - Halógenos: pertenecen al grupo 7A. - Grupo 2B: Zn, Cd, y Hg, los cuales no son representativos ni metales de transición. Qué tienen en común los elementos que forman estos grupos? Los elementos que forman un grupo tienen propiedades comunes en su estructura atómica, que a su vez, hace que tengan otras propiedades físicas comunes. Cómo se organizan los electrones dentro del átomo? La teoría cuántica indica que los electrones se encuentran ubicados en niveles de energía alrededor del núcleo atómico. Cada uno de estos niveles tiene diferentes regiones u órbitas donde es más posible que se encuentre un electrón. Para describir dónde se encuentra un electrón se utilizan los cuatro números cuánticos (n, l, m, s), los que permiten identificar completamente un electrón en cualquier nivel energético y orbital de un átomo. Si analizamos el átomo de hidrógeno, vemos que representa un sistema muy sencillo porque sólo contiene un electrón, el que se ubica en el orbital s del primer nivel de energía. Esta situación es diferente para átomos que tienen más de un electrón. Para conocer la distribución de electrones en los 1
Nivel: 2º Medio Subsector: Ciencias químicas Unidad temática: Actividad: Cómo varían las propiedades físicas de los elementos en la tabla periódica? En total se conocen más de 118 elementos que forman toda la materia que conoces. Algunos de esos 118 elementos se encuentran en la naturaleza formando parte de compuestos o bien como sustancias puras. Otros elementos fueron sintetizados artificialmente, sin embargo son muy inestables y, por lo tanto, existen durante muy pocos segundos. Cómo organizar estos 118 elementos? Todos estos elementos han sido descubiertos paulatinamente por muchos científicos. Organizar estos elementos, de modo que todos podamos acceder a sus propiedades, no ha sido fácil. Los primeros intentos de organizar los elementos que ya se habían descubierto se realizaron durante el siglo XVII, cuando John Newlands observó que al ordenar los elementos conocidos de acuerdo con sus masas atómicas, cada octavo elemento tenía propiedades similares. Newlands se refirió a esta relación como la ley de las octavas. Sin embargo, esta ley no se cumple para elementos que se encuentran más allá del calcio (Ca), haciendo que su trabajo no fuera aceptado por la comunidad científica de la época. Más tarde, el químico ruso Dimitri Mendeleiev propuso una tabulación más amplia de los elementos, que se basó en la recurrencia periódica y regular de las propiedades. Este segundo intento de sistema periódico hizo posible la predicción de las propiedades de varios elementos que aún no habían sido descubiertos. Cómo está organizada la tabla periódica? Actualmente, la tabla está ordenada en siete filas horizontales, llamadas períodos, y 18 columnas (verticales), llamadas grupos. Los períodos indican el último nivel energético que tiene un elemento, mientras que los grupos indican el número de electrones en la última capa. De acuerdo con el tipo de subnivel que ha sido llenado, los elementos se pueden dividir en distintas categorías: - Elementos representativos: conforman los grupos 1A hasta 7A. Estos elementos tienen incompletos los subniveles s o p del máximo número cuántico principal (nivel energético). - Metales alcalinos: corresponden al grupo 1A. - Metales alcalinotérreos: forman el grupo 2A de la Tabla Periódica. - Gases nobles: conforman el grupo 8A. Estos elementos tienen completos los niveles energéticos, cumpliendo con la regla de dueto u octeto. - Elementos de transición (o metales de transición): elementos 1B y del 3B hasta el 8B, los que tienen capas d incompletas, o fácilmente forman cationes con subniveles d incompletos. - Lantánidos y actínidos: se les llama también elementos de transición interna del bloque f porque tienen subniveles f incompletos. 1
- Halógenos: pertenecen al grupo 7A, y todos ellos poseen configuración ns 2 np 5, haciendo que tengan propiedades muy similares como grupo. Y qué pasó con el grupo 2B? Los elementos del grupo 2B son Zn, Cd, y Hg, los que no son representativos ni metales de transición, debido a que tienen completa la capa d y la siguiente capa s y, por otra parte, vacía la última capa p. Varían las propiedades físicas de los elementos de acuerdo con su ubicación en la tabla periódica? Existen variaciones de propiedades físicas por grupo y por período de elemento. Algunas de las propiedades físicas que cambian periódicamente en la tabla son: - Energía de ionización: es la energía mínima necesaria para que un átomo gaseoso en su estado fundamental o de menor energía ceda un electrón, transformándose en un ion positivo gaseoso en estado fundamental. - Afinidad electrónica: corresponde al cambio de energía cuando un átomo acepta un electrón en el estado gaseoso. - Radio atómico: corresponde a la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos adyacentes. - Radio Iónico: es el radio de un catión o de un anión. Y cómo cambian estas propiedades? Para poder responder a esta pregunta consigue una tabla periódica que contenga los valores de energía de ionización, afinidad electrónica, radio atómico y radio iónico. Existen tablas periódicas que puedes mirar en internet que también tienen estos datos. Una vez que consigas tu tabla periódica, realiza las actividades que se encuentran a continuación. I Variación de la energía de ionización 1. Anota en la tabla siguiente los potenciales de ionización de los elementos del grupo IA (sin el átomo de Hidrógeno) y del grupo IIA y de los períodos 2 y 3. IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA 1 Li Be B C N O F 5,41 ev 2 Na Mg Al Si P S Cl 3 K Ca 4 Rb Sr 5 Cs Ba 2
2. Observa los valores de potenciales de ionización de esta tabla en el grupo (columnas verticales). Cómo cambia el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia abajo? 3. Observa los valores de los potenciales de ionización de esta tabla en el periodo (filas horizontales). Cómo varía el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia la derecha? 4. Realiza un esquema de la variación en tu cuaderno. II Variación de la afinidad electrónica 1. Averigua, mediante una investigación bibliográfica, cómo varía la afinidad electrónica dentro de un grupo y de un período de la tabla periódica. 2. Realiza un esquema de esta variación en tu cuaderno. III Variación del radio atómico 1. Anota en la tabla siguiente los radios atómicos de los elementos del grupo IA (sin hidrógeno) y del grupo IIA y de los períodos 2 y 3. IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA 1 Li Be B C N O F 1,55 Aº 2 Na Mg Al Si P S Cl 3 K Ca 4 Rb Sr 5 Cs Ba 3
2. Observa los valores de los radios atómicos de esta tabla según el grupo (columnas verticales). Cómo cambia el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia abajo? 3. Observa los valores de los radios atómicos de esta tabla según el período (filas horizontales). Cómo varía el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia la derecha? 4. Realiza un esquema de la variación en tu cuaderno. IV Variación del radio iónico 1. Averigua, mediante una investigación bibliográfica, cómo varia el radio iónico dentro de un grupo y de un período de la tabla periódica. 4
Cómo son las configuraciones electrónicas de los elementos que forman una familia? distintos orbitales al interior de un átomo se desarrolló la configuración electrónica. En ella se indica claramente el nivel de energía, los orbitales ocupados y el número de electrones de un átomo. La configuración electrónica se efectúa de acuerdo con tres principios: - Principio de mínima energía: las configuraciones electrónicas de los elementos se obtienen por ocupación sucesiva de los niveles desde el primer nivel de menor energía (1s). A medida que los niveles se llenan, se van ocupando los niveles superiores. - Principio de exclusión de Pauli: en cada orbital puede haber un máximo de dos electrones, los que deben tener espín contrario. - Por otra parte, los orbitales s, p, d y f pueden ser ocupados hasta por un total de 2, 6, 10 y 14 electrones, respectivamente, pero cuando los subniveles están parcialmente llenos, los electrones se distribuyen de manera que presentan el máximo número de espines con el mismo valor o bien sus espines deben ser paralelos. Esto corresponde al Principio de máxima multiplicidad de Hund, que también puede enunciarse así: los orbitales de igual energía pero diferente orientación espacial, primero deben semicompletarse con electrones del mismo espín, para luego hacerlo con electrones de espín contrario. Ya vimos que los elementos se organizan en la Tabla Periódica, según características comunes, en familias o grupos de elementos. Cómo será la configuración electrónica de estos grupos de elementos? I. Para saber si existe algo en común en las configuraciones electrónicas de los elementos que forman una familia realiza las siguientes actividades: 1. Cómo es la configuración electrónica de los elementos alcalinos? a. Haz una lista de todos los elementos alcalinos. 2. Cómo es la configuración electrónica de los elementos alcalinos térreos? a. Haz una lista de todos los elementos alcalinos térreos. 3. Cómo es la configuración electrónica de los elementos de transición? a. Haz una lista de todos los elementos de transición. 2
Cómo son las configuraciones electrónicas de los elementos que forman una familia? 4. Cómo es la configuración electrónica de los elementos cinc (Zn), cadmio (Cd) y mercurio (Hg)? a. Escribe la configuración electrónica de al menos dos de estos elementos. b. Tienen algo en común? Cuál es el último orbital ocupado? 5. Cómo es la configuración electrónica de los elementos de transición interna? a. Haz una lista de todos los elementos de transición interna. 6. Cómo es la configuración electrónica de los elementos halógenos? a. Haz una lista de todos los elementos halógenos. 7. Cómo es la configuración electrónica de los gases nobles? a. Haz una lista de todos los gases nobles. II. Ahora que has analizado los elementos de la tabla periódica, qué reflexión puedes hacer sobre su organización? 3