INTRODUCCIÓN
El
desarrollo de la teoría de la estructura atómica ha demostrado que las propiedades
de los elementos y su posición en la tabla periódica dependen de la
configuración electrónica de sus átomos, es decir, de la manera en la cual están
distribuidos los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energía,
de acuerdo con la teoría cuántica.
La notación
de la configuración electrónica utiliza coeficientes para indicar el número
cuántico principal (n), letras minúsculas (s, p, d, f,) para indicar el
subnivel de energía y exponentes para indicar el número de electrones en cada
sub nivel.
Utilizando
esta notación y tomando en cuenta que el número máximo de electrones en cada
nivel de energía es 2n2 se
puede utilizar la regla de las diagonales (Aufbau) para escribir la
configuración electrónica de un elemento. Hay algunas excepciones a esta regla
debido a que cuando un átomo tiene muchos electrones, cada uno afecta la
energía de los otros y los sub niveles llenos o a medio llenar son más estables
que los que no tienen ningún arreglo especial.
La tabla
periódica también es utilizada para saber cuál es la configuración electrónica
de un elemento. Todos los elementos cuya columna la encabeza una A tienen
su electrón de más alta energía en un subnivel externo s o p. Los elementos que
están en las columnas encabezadas por la B tienen su electrón de más alta
energía en un sub nivel d o f .
La
configuración electrónica más externa de todos los elementos del grupo IA
es s1,
precedida por un coeficiente que es igual al número del periodo. Por ejemplo,
la configuración del potasio termina en 4sl. Para los elementos
del grupo IIA, la configuración electrónica de la capa más externa es s2
precedida por un coeficiente igual al número del periodo. Para los elementos de
los grupos IIIA a VIIIA las terminaciones van desde p1
hasta p6, con coeficiente igual al número del periodo.
Para los elementos de los grupos IIIB a IIB, las terminaciones
van desde d1 hasta d10, con coeficiente que
es uno menos el número del periodo. Para los lantánidos, las
terminaciones van desde f1 hasta f14
con coeficiente dos menos el número del periodo.
Las
propiedades de los elementos dependen de su configuración electrónica y de acuerdo
con ella se ubican en la tabla periódica. Al respecto, se presenta un cuadro
comparativo.
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Grupos de elementos
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Configuración
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Metales
alcalinos (IA)
Exceptuando al hidrógeno, todos
son metales blandos, tienen lustre plateado, conducen con facilidad la
corriente eléctrica, son maleables y dúctiles.
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Tienen su electrón más externo
en el orbital ns1, el cual tienden a ceder con facilidad, por lo
que son muy activos. Únicamente tienen un número de oxidación, que es + 1.
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Metales
alcalinotérreos (IIA)
Son más duros y densos, sus
puntos de fusión son más altos que los de los metales alcalinos debido a que
cada átomo contribuye con dos electrones.
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Sus electrones de la capa
externa tienen configuración ns2. Sus dos electrones se ceden con
facilidad y de una sola vez, por lo que sólo tienen un número de oxidación,
que es +2. Son menos reactivos que los metales alcalinos.
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Familia
del boro (lilA)
El boro es un no metal muy duro
con alta resistencia eléctrica. Los otros elementos son metaloides
relativamente blandos, punto de fusión bajo, maleables, plateados y alta
conductividad eléctrica.
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Su distribución electrónica en
la capa de valencia es ns2np1.
Sus propiedades se explican por
su alta carga y pequeño radio. Para remover sus tres electrones se requiere
gran cantidad de energía y, como resultado, estos elementos forman enlaces en
los que comparten sus electrones.
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Familia
del carbono(IVA)
El carbono y el silicio son no
metales con propiedades químicas semejantes, tienen los mismos estados de oxidación,
forman cadenas, se combinan con metales y poseen óxidos abundantes en la
naturaleza (CO, CO2; SiO2J Los otros elementos de la
familia son metales (Ge, Sn, Pb). El germanio es un elemento poco abundante,
pero de gran importancia porque se utiliza en la manufactura de
semiconductores.
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Están justo a la mitad de la
configuración estable del octeto (ns2 np2); por esta
razón, el estado de oxidación máximo es de +4, aunque también presentan el
estado +2 debido al par electrónico ns2. Aunque el carbono no es
el elemento más abundante de la naturaleza, sí es el que presenta mayor
número de combinaciones químicas debido a su extraordinaria capacidad de enlace
entre sí y con otros elementos.
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Familia
del nitrógeno (VA)
Sus propiedades son muy
variadas; el nitrógeno y el fósforo son no metales típicos, el arsénico y el
antimonio manifiestan cierto carácter metálico (metaloides), pero el bismuto
se comporta como metal.
Una propiedad importante del
nitrógeno es su resistencia a reaccionar con otros átomos. En contraste, el
fósforo es muy activo. La molécula de N2 es muy estable y se
requiere una gran cantidad de energía para disociarla.
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Sus estados de oxidación son
extensos debido a la distribución de los electrones de la capa más externa
(ns2np3). Esta propiedad disminuye a medida que aumenta
el número atómico de la familia.
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Una de las
muchas propiedades periódicas de los elementos es la energía de ionización. Se
le llama primera energía de ionización a la que se necesita para remover el
electrón más débilmente unido a un átomo; segunda energía de ionización a la
que se necesita para desprender el segundo electrón más alejado del núcleo, y
así sucesivamente., La energía de ionización está relacionada directamente con
la configuración electrónica y el tamaño de los átomos. La más baja corresponde
a los metales alcalinos, que tienen un solo electrón de valencia, ya que sus
átomos son más grandes en comparación con los que le siguen en el mismo periodo
de la tabla periódica.
Otra
propiedad periódica es el radio atómico. A medida que aumenta el número
cuántico principal, aumenta el tamaño de la nube electrónica, por lo tanto el
tamaño de los átomos en cada grupo aumenta de arriba abajo, en la tabla. De
izquierda a derecha todos los átomos en un mismo periodo tienen un solo número
cuántico principal. Sin embargo, la carga positiva del núcleo aumenta en un
protón en cada elemento y se atrae a la nube electrónica externa con más fuerza
hacia el núcleo.
OBJETIVOS
·
Relacionar la configuración
electrónica de los elementos con su posición en la tabla periódica.
·
Analizar la periodicidad de
algunas propiedades de los elementos químicos.
MATERIAL
- Etiquetas
- Hoja de papel milimétrico
- Recipientes adecuados para contener los elementos proporcionados
- Regla
- Muestras de elementos que se utilizan comúnmente: trocitos de aluminio, alambre de cobre, clavos de hierro (que no estén oxidados), carbono (del grafito de lápiz), azufre, lámina de cinc, plomadas (plomo), etcétera
- Elementos con los que se trabaja en el laboratorio: calcio, yodo, magnesio, estaño, mercurio, oxígeno, etc.
NOTA: Si se
cuenta en el laboratorio con elementos de alto riesgo como el so dio y el
potasio, éstos preferentemente deben ser observados, por los alumnos, en la
mesa correspondiente al profesor y bajo la supervisión del mismo.
DESARROLLO
Actividad 1. Identificación de elementos
Identifica
cada uno de los elementos que se encuentran en la mesa colocándole una etiqueta
con su nombre y número atómico. Ordena los elementos en forma ascendente de
acuerdo con el número atómico. Una vez que el profesor haya aprobado la
correcta identificación de los elementos, completa la siguiente tabla.
Núm.
atómico Nombre Símbolo Color
Estado
de agregación
Actividad 2. Configuración electrónica y posición de los elementos
en la tabla periódica
Con la regla
de las diagonales escribe la configuración electrónica de cada uno de los
elementos de la tabla anterior, ordénalos y llena la siguiente tabla. Compara la
configuración electrónica con la posición de cada elemento en la tabla
periódica. Escribe tus conclusiones.
Núm.
atómico Símbolo Configuración electrónica Bloque
Grupo Periodo
Conclusiones:
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Actividad 3. Propiedades periódicas
En una hoja
de papel milimétrico traza el eje X sobre la parte más larga y el Y en la más
corta. Coloca en X una escala para el número atómico (Z), y en Y una para la
primera energía de ionización (E). En el anexo se proporcionan los valores de
la primera energía de ionización de los elementos. Localiza en el plano los
puntos con coordenadas (Z, E). Localiza los puntos para, por lo menos, los
primeros 36 elementos químicos. Une los puntos consecutivos con segmentos de
recta. De esta manera obtienes la gráfica que ilustra los cambios de los
valores de la primera energía de ionización conforme aumenta el número atómico. Analiza la
gráfica que has trazado. Elabora cinco preguntas, con sus respectivas
respuestas, relacionadas con la variación de la primera energía de ionización
de los elementos.
Preguntas:
ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS
- Una característica de los metales es que tienen pocos electrones (tres o menos) en su capa externa. ¿Cuáles de los metales de la mesa de trabajo cumplen con esta regla?
- A los elementos con cinco o más electrones en su capa externa se les considera no metales. ¿Cuáles de los elementos de la mesa siguen esta regla general?
- Elabora una tabla con el nombre del elemento, su número atómico y los cuatro números cuánticos del electrón diferencial para cada elemento de la mesa de trabajo.
- En el laboratorio, cuando se hace reaccionar el sodio con agua para formar el hidróxido respectivo, se recomienda utilizar un trocito de sodio (del tamaño de una lenteja) en un vaso de precipitados grande, lleno con agua. ¿Por qué se prohíbe realizar este experimento en un tubo de ensayo?
- En electrónica, el germanio y el silicio se utilizan por sus propiedades de conducir electricidad en un grado menor que los metales. Los átomos de ambos elementos forman redes de cristales en las que cada átomo relaciona sus electrones con los de los átomos vecinos. ¿Cómo se relaciona el hecho ,de que las redes cristalinas no pueden conducir electricidad con su configuración electrónica?
- A las redes cristalinas de germanio o silicio se les añaden "impurezas" de los elementos indio o arsénico, según se desee elaborar un semiconductor dador de electrones o un aceptar de electrones. ¿Cuál es el que se utiliza en cada caso?
- Una fotocelda simple consta de un tubo de descarga eléctrica al vacío que contiene dos electrodos, uno de los cuales está cubierto por cesio metálico. Cuando se conecta el tubo a una fuente de alto voltaje no fluye corriente eléctrica. Sin embargo, cuando los fotones de luz golpean al electrodo cubierto con cesio se desprenden electrones, los cuales se mueven hacia el electrodo positivo creando una corriente eléctrica que puede ser utilizada para regular un mecanismo. ¿Qué relación tiene esta aplicación con el hecho de que el cesio tiene su electrón más externo en el subnivel 6s1?
- Los metales tienen puntos de fusión muy variados. Un alambre de plomo se puede fundir con la llama de un cerillo, una hoja de estaño introducida al fuego se convierte enseguida en una gota de estaño líquido. En cambio para fundir el tungsteno, el tantalio o el renio, es necesario elevar la temperatura por encima de 3 000 "C. Por esta razón los filamentos de incandescencia de los focos eléctricos se hacen de tungsteno. ¿De qué elemento se tendría que construir una nave exploradora para poder acercarse lo más posible al Sol?
CUESTIONARIO
l. La configuración electrónica para el
átomo de cromo 24Cr es:
a) ls2
2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4
b) ls2
2s2 2p6 3s2 3p6 4s 1 3d5
c) [Kr]
3s2 3p6 4s2 3d4
d) [Ar]
3s2 3p6 3d4 4s2
2. El número atómico del elemento que
tiene la configuración electrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 es igual a:
a)
16
b)
27
c)
34
d)
17
3. Conforme aumenta el número atómico
dentro de un mismo grupo, la energía
de ionización de los elementos:
a) aumenta
b) disminuye
c)
permanece igual
d)
tiende a infinito
4. Conforme aumenta el número atómico dentro
de un mismo periodo, la energía de ionización de los elementos:
a) aumenta
b) disminuye
c)
permanece igual
d)
tiende a infinito
5. Una alta energía de ionización es
característica de:
a) los halógenos
b) los metales alcalinos
c)
los gases nobles
d)
los lantánidos
6. Un elemento tiene la configuración
electrónica [Ar] 4s2 3d10 4p4, ¿a qué grupo y a qué periodo pertenece? ( )
a) VIA y 3
b) IVA Y 4
e)
VIAy 4
d)
IVA Y 3
