1º BACH Física y Química TEMA 1 Naturaleza Atómica de la Materia 1,- Un átomo de Hidrógeno en su estado fundamental recibe una energía de 13 056 ev. Averiguar hasta que nivel ascenderá el electrón y cuál será el radio de esa nueva órbita. Solución nivel 5 r 5 = 13.5 Ǻ.- El electrón de un átomo de Hidrógeno cae desde una órbita cuyo radio es de 5 91 Ǻ a otra órbita de 4 761 Ǻ. Determinar a qué niveles corresponde cada una de ellas y la energía que se desprende en el proceso. Solución niveles 7 y 3 1 3 ev 3.- Un átomo posee un número atómico Z = 38 y un número másico A = 88. Contestar a las siguientes preguntas: a) A qué elemento pertenece? b) Obtener el número de partículas subatómicas de cada clase que lo componen c) Escribir su estructura electrónica d) Indicar cuál es su capa de valencia y cuantos electrones tiene. Cuál es su valencia principal? e) Deducir si será un metal o un no metal f) Razonar si será muy reactivo o no g) Tendrá un radio atómico mayor que el Ba? 4.- Contestar brevemente, explicando suficientemente el porqué, a las siguientes cuestiones: a) Ordenar de menor a mayor atendiendo a su radio atómico los siguientes elementos TELURO, BORO y OXÍGENO b) Ordenar de menor a mayor atendiendo a su Reactividad Química los siguientes elementos HELIO, FLUOR, YODO y ZINC c) Ordenar de menor a mayor atendiendo a su radio atómico los siguientes elementos POTASIO, HIERRO y ZINC 5.- Averiguar el número de protones, neutrones y electrones que poseen cada uno de los siguientes átomos o iones y escribir su estructura electrónica: 59 Co 01 Hg + 3 Th 75 As 3-6.- Contestar a las siguientes cuestiones, explicando brevemente la razón de las elecciones: a) Ordena, atendiendo a su radio atómico, las siguientes parejas de elementos: BERILIO Y ESTRONCIO LITIO Y CARBONO PLATA Y YODO b) Un átomo tiene un Z = 37 y A = 85. Averiguar a qué elemento químico corresponde, el de partículas de cada clase que lo constituyen y escribir su estructura electrónica indicando la capa de valencia y su valencia principal c) Un átomo tiene en su capa de valencia electrones. Es un metal?, Es muy reactivo?, A qué grupo pertenece?
7.- Averiguar el número de protones, neutrones y electrones que constituyen los siguientes átomos e iones. Escribir asimismo sus estructuras electrónicas. 14 N 75 As 18 Te - 197 Au 3+ 38 U 8.-Un átomo de Hidrógeno tiene el electrón en una órbita cuyos números cuánticos son (4,, -1, 1/) a) Dibujar de forma esquemática dicha órbita b) Calcular el radio medio de esa órbita c) Obtener su energía aproximada Solución a) 8 48 Å b) 0 85 ev 9.- De las siguientes estructuras electrónicas debéis indicar (sabiendo que corresponden a átomos neutros) a) A qué elemento pertenecen b) Si son posibles o no c) Si corresponden al estado fundamental o excitado s p 3 1 s 3 p s p 6 3s 6 10 4p 5 s p 6 3s 6 7 4p 5 s p 6 3s 6 1 1 s p 6 3s 6 10 4p 6 4d 10 5s 1 Solución Excitada, Prohibida, Fundamental, Excitada, Prohibida, Fundamental 10.- Averiguar a qué elementos de los citados corresponden los valores del radio atómico expuestos a continuación: YODO, CLORO, FÓSFORO 0 99, 1 33, 1 10 11.- Un átomo tiene un número atómico Z = 5 De qué elemento se trata? Cuál es la estructura electrónica de su estado fundamental. Cuál será su valencia principal? Escribir la estructura electrónica del ión que formará. Solución Te s p 6 3s 6 10 4p 6 5s 4d 10 5p 4 s p 6 3s 6 10 4p 6 5s 4d 10 5p 6
PROBLEMA 1 a) Cálculo de la órbita final 13'6 El electrón está inicialmente en la órbita fundamental cuya energía es E 1 = (en ev) 1 13'6 La órbita final poseerá una energía de E n = (siendo n un número entero) n El incremento de energía suministrado al electrón es la diferencia entre ambos valores y además sabemos que es de 13 056 ev (Tiene un valor positivo debido a que es absorbida por el átomo) E = En E1 = n 1 13' 056 = E = 13' 056 n 1 Despejando el valor de n se obtiene que n = 5 Por tanto se trata de la 5ª órbita b) Radio de la nueva órbita El radio de la órbita de un electrón viene dado por la fórmula r n = 0'53 n (n es el número cuántico principal correspondiente a la órbita que ocupa). En este caso r5 = 0'53 5 = 13 '5 Å PROBLEMA a) Niveles energéticos Utilizamos la fórmula del apartado b) del problema anterior y redondeamos el resultado al número entero más próximo Órbita inicial Órbita final = 0'53 n i = 6' 993 5'91 i 4'761 0'53 n f n n = 7 = n = ' 997 n = 3 f i f b) Energía desprendida en la transición Las energías correspondientes a los dos niveles son 13'6 Ei = 13 7 '6 La energía desprendida es E = E f E i = = E = 3 7 f 3 El resultado es negativo debido a que la energía es desprendida por el átomo 1'3 ev
PROBLEMA 3 a) Su número atómico es Z = 38 y por tanto corresponde al elemento 38 de la tabla periódica, que es el Estroncio b) El de partículas que lo constituyen es el siguiente de protones = Z = 38 de electrones = Z = 38 de neutrones = A Z = 88 38 = 50 6 6 10 6 c) La estructura electrónica es s p 3s d) Su capa de valencia es la 5, en la cual existen dos electrones. Su valencia principal será por tanto + e) Al tener solamente dos electrones en la capa de valencia será un metal f) Aunque está situado en el grupo IIA su reactividad es moderada ya que el radio atómico es grande al estar en el periodo 5, lo cual disminuye su capacidad de reacción g) No, en realidad el Bario tiene mayor radio atómico al estar situado en el periodo 6 y tener una capa de valencia de mayor tamaño PROBLEMA 4 A) OXÍGENO < BORO <TELURO El oxígeno tiene un valor del radio atómico menor que el boro al estar situado más a la derecha dentro del mismo periodo. Esto se debe a que los electrones pertenecen a la misma capa de valencia (la ) pero en el oxígeno hay mas protones en el núcleo que atraen con mayor fuerza a los electrones y los mantienen más cerca, disminuyendo entonces el radio del átomo B) HELIO < CINC < YODO < FLUOR El helio es un gas inerte y por tanto es el menos reactivo de los cuatro. Después viene en orden creciente el cinc que es un metal y los más reactivos serian los dos elementos restantes ya que pertenecen al grupo de los halógenos. Entre estos dos últimos el más reactivo será el flúor pues tiene una capa de valencia (periodo ) de menor tamaño que el yodo (periodo 5) C) HIERRO < CINC < POTASIO El potasio es el que mayor radio atómico posee al estar situado más a la izquierda del sistema periódico. El de menor radio atómico debería ser el cinc si la regla se cumpliera en todos los casos, pero en los elementos de transición situados a la derecha el volumen aumenta ligeramente y produce algunas excepciones, como es precisamente este caso PROBLEMA 5 59 Co de protones = Z = 7 de electrones = Z = 7 de neutrones = A Z = 59 7 = 3 6 6 7 s p 3s
01 + Hg de protones = Z = 80 de electrones = Z q = 80 ( + ) = 78 de neutrones = A Z = 01 80 = 11 6 6 10 6 10 6 14 10 s p 3s 4d 5 p 6s 4 f 5d 3 Th de protones = Z = 90 de electrones = Z = 90 de neutrones = A Z = 3 90 = 14 6 6 10 6 10 6 14 10 6 s p 3s 4d 5 p 6s 4 f 5d 6 p 7s 5 f 75 3 As de protones = Z = 33 de electrones = Z q = 33 ( 3) = 36 de neutrones = A Z = 75 33 = 4 6 6 10 3 s p 3s 4 p PROBLEMA 6 a) Ordenación con respecto del radio atómico BERILIO < ESTRONCIO CARBONO < LITIO YODO < PLATA b) El átomo corresponde al elemento 37 de la tabla periódica que es el Rubidio. El de partículas que lo constituyen y su estructura electrónica son de protones = Z = 37 de electrones = Z = 37 de neutrones = A Z = 85 37 = 48 6 6 10 6 1 s p 3s Su capa de valencia es la que tiene aquellas órbitas con el cuántico principal más elevado, es 1 decir la 5s. La valencia principal será +1 c) Si, un elemento con dos electrones en su capa de valencia es un metal. Su reactividad dependerá del grupo al que pertenezca que podrá ser el grupo IIA alguno de los grupos B, correspondientes a los metales de transición
PROBLEMA 7 14 N 79 Se 18 Te - 197 Au 3+ 38 U protones 7 34 5 79 9 electrones 7 34 54 76 9 neutrones 7 45 76 118 146 Estructura electrónica s p 3 s p 6 3s 6 10 4p 4 s p 6 3s 6 10 4p 6 5s 4d 10 5p 6 s p 6 3s 6 10 4p 6 5s 4d 10 5p 6 6s 4f 14 5d 6 s p 6 3s 6 10 4p 6 5s 4d 10 5p 6 6s 4f 14 5d 10 6p 6 7s 5f 4 PROBLEMA 8 a) Dibujo orientativo de la órbita El cuántico principal es n = 4 con lo cual dicha órbita está en el cuarto nivel. En el dibujo se han representado de forma esquemática en líneas de puntos las órbitas s de los cuatro primeros niveles. El resto no las dibujo para que el esquema resulte mas claro. Al ser el numero cuántico secundario u orbital l = la órbita es una elipse bastante excéntrica, tal y como se indica b) Radio medio El radio medio se puede calcular utilizando la fórmula de Böhr r4 = 0'53 4 = 8 '48 Å r n = 0'53 n c) Energía aproximada de la órbita 13'6 Podemos utilizar también aquí de forma aproximada la fórmula E n = n 13'6 E4 = = 0'85 ev 4
PROBLEMA 9 3 1 s p Corresponde al Oxígeno ya que posee en total 8 electrones Es una estructura posible pero excitada, ya que un electrón de la órbita p ha saltado a una órbita superior absorbiendo energía 3 s p Correspondería al nitrógeno, pero es una estructura imposible al existir tres electrones en la órbita s, que como es sabido solo puede ser ocupada por dos 6 6 10 5 s p 3s 4 p Corresponde al bromo al contar en total con 35 electrones y es una estructura fundamental 6 6 7 5 s p 3s 4 p Corresponde al germanio pues en total hay 3 electrones. Es una estructura excitada energéticamente pues tres electrones de la órbita han saltado a la órbita superior 4p 6 6 1 1 s p 3s Correspondería al galio al tener en total 31 electrones, pero es una estructura prohibida al contener 1 electrones las órbitas, que en realidad solo pueden albergar 10 electrones como máximo 6 6 10 6 1 10 s p 3s 4d Corresponde a la plata al tener en total 47 electrones. Puede parecer a primera vista una estructura excitada donde un electrón de la órbita ha pasado a la que es más energética, pero en realidad es una estructura fundamental que constituye una de las excepciones a las reglas de llenado de los átomos poli-electrónicos PROBLEMA 10 Al yodo le corresponderá el valor más alto (1 33 Å) ya que es el elemento situado más abajo de los tres y por tanto su capa de valencia está más alejada del núcleo. Los dos elementos restantes están en el mismo periodo y por tanto el que se sitúa a la izquierda, es decir el fósforo tendrá mayor radio de los dos (1 10 Å). El valor restante (0 99 Å) se lo asignamos al cloro de manera que queda finalmente Elemento Radio Atómico (Å) yodo 1 33 cloro 0 99 fósforo 1 10
PROBLEMA 11 Al tener 5 electrones se trata del elemento 5 que es el teluro Su estructura electrónica es s p 6 3s 6 10 4p 6 5s 4d 10 5p 4 La capa de valencia está formada por las órbitas ocupadas más externas, es decir cuyo cuántico principal es mayor. En este caso es la 5p 4, que contiene cuatro electrones y por tanto su valencia principal es, pues tiene tendencia a capturar dos electrones para que su estructura electrónica cumpla la regla del octeto Cuando el átomo capture dos electrones su estructura electrónica será igual a la del gas noble más próximo, es decir el xenón s p 6 3s 6 10 4p 6 5s 4d 10 5p 6