SOLUCIONARIO Guía Estándar Anual

Teoría atómica II: números cuánticos y configuración

electrónica

SGUICES002CB33-A16V1

Ítem Alternativa Habilidad

1 D Aplicación

2 C Aplicación

3 C ASE

4 E Aplicación

5 C Aplicación

6 C Comprensión

7 A Comprensión

8 D ASE

9 E Comprensión

10 E Aplicación

11 D Comprensión

12 A Reconocimiento

13 D Comprensión

14 B Comprensión

15 E Reconocimiento

16 C Comprensión

17 D Aplicación

18 A Comprensión

19 E Aplicación

20 D ASE

21 E Reconocimiento

22 E Aplicación

23 B Reconocimiento

24 C Aplicación

25 C Aplicación

EJERCICIOS PSU

Ítem Alternativa Defensa

1 D Los iones positivos o negativos se caracterizan por perder o ganar electrones, respectivamente, con la finalidad de adquirir la configuración electrónica de un gas noble y estabilizarse.

En el caso del ion cloruro (Cl−), el cloro neutro (Z = 17) gana un electrón, quedando con una configuración electrónica igual a la del argón (Ar):

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

A diferencia de la configuración de su átomo neutro, que es

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

El orden “de llenado” de los orbitales atómicos en la configuración electrónica se describe según el siguiente esquema.

2 C

Para determinar los números cuánticos n, , y m, se debe conocer el significado de cada uno de ellos.

El número cuántico principal (n) tiene relación con el nivel energético (n = 1, 2, 3, 4,….,∞) de un átomo.

El número cuántico secundario () representa la forma del orbital (s = 0, p = 1, d = 2, f = 3).

El número cuántico magnético (m) representa la orientación espacial del orbital.

A partir de la configuración electrónica se pueden determinar estos números cuánticos como se ejemplifica en la siguiente imagen:

Para el ejercicio, el último electrón está en 3p3, por lo tanto, el número cuántico principal es:

n = 3

El número cuántico secundario, en tanto, está indicado por el tipo de orbital, en este caso p, por lo tanto:

ℓ = 1

Finalmente, vemos que hay 3 electrones en el último nivel, que se disponen como se muestra en el siguiente diagrama de orbitales:

Por lo tanto, el número cuántico magnético es:

m = +1

3 C Conociendo el grupo y el período de un átomo, se puede determinar su configuración electrónica.

En este caso, el grupo es VIA, lo que indica que se trata de un elemento representativo, cuya configuración electrónica termina en s o p, y que el número de electrones de valencia, es decir los electrones de la capa más externa, es 6. Por lo tanto, la configuración electrónica debe terminar en ns2 np4.

El valor de n, correspondiente al último nivel energético, corresponde al valor del período, que en este caso es 3. Con estos datos, se puede desarrollar la configuración electrónica del elemento:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

que corresponde al azufre (Z=16).

4 E La configuración electrónica corresponde al ordenamiento de los electrones en los diferentes niveles energéticos. El átomo del ejercicio es neutro, por lo que su número de protones es igual al de electrones.

El número de electrones del átomo está dado por la suma de los superíndices en la configuración electrónica, que corresponden al número de electrones ubicados en cada tipo de orbital y nivel. Teniendo en cuenta que la configuración del helio (Z = 2) es 1s2, la configuración electrónica detallada del elemento es:

1s2 2s2 2p5

Sumando los superíndices, se obtiene un total de 9 electrones, y como se trata de un átomo neutro, se infiere la existencia de 9 protones, es decir, Z = 9.

5 C El número cuántico n, indica el nivel de energía en que se encuentra el electrón. El número cuántico n = 3 representa el tercer nivel energético.

El número cuántico representa la forma del orbital en que se

encuentra el electrón. Cuando toma el valor = 0 significa que es un orbital s.

Por lo tanto, los números cuánticos del ejercicio que corresponden a la notación 3s, son n = 3 y ℓ = 0.

6 C La configuración 3p2 indica que el nivel energético es 3 y que existen 2 electrones en orbitales p. Debe recordarse que hay tres orbitales tipo p, entre los que se encuentran repartidos los electrones, los cuales, solo se diferencian en su orientación espacial.

7 A El número cuántico n indica el nivel energético y el tipo de orbital en que se encuentra el electrón al que se alude. Un valor de n = 3,

representa el tercer nivel energético, mientras que = 1 representa al orbital p.

Por lo tanto, dichos números cuánticos corresponden a la notación 3p.

8 D El número cuántico n, indica el nivel de energía en que se encuentra el electrón. Si n = 4, entonces el electrón se encuentra en el cuarto nivel de energía.

El número cuántico representa la forma del orbital en que se

encuentra el electrón. Si = 0 significa que el electrón se encuentra en un orbital de tipo s.

El número cuántico m indica la orientación de un subnivel (orbital atómico). Para el orbital s solo se conoce un único tipo de orientación, designado por 0. Por lo tanto, m = 0.

El número cuántico de spín, s indica el sentido de giro de un electrón, que puede ser +1/2 (cuando se trata del primer electrón) o –1/2 (cuando se trata del segundo electrón del orbital). Por lo tanto, el último electrón de este átomo tiene una configuración 4s2.

Así, los cuatro números cuánticos, describen la configuración electrónica [18Ar] 4s

2, la cual corresponde al elemento calcio (Ca) neutro, cuyo Z = 20.

9 E El anión 16S2–, gano 2 e-, por lo tanto posee 18 electrones en total y su

configuración electrónica es:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Esta configuración puede abreviarse mediante la expresión dada para el gas noble argón (Z = 18), [Ar].

10 E La configuración del átomo 12Mg corresponde a

1s2 2s2 2p6 3s2

donde los números cuánticos para el último electrón, ubicado en 3s2, son:

n = 3

= 0

m = 0

11 D Los elementos del grupo VIIA (halógenos) poseen 7 electrones de valencia, siendo elementos representativos (ns2np5). De acuerdo con esto, los elementos que presentan las configuraciones:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 (Cl, Z = 17)

[Ar] 4s2 3d10 4p5 (Br, Z = 35)

pertenecen al grupo de los halógenos.

El elemento de configuración

[Ar] 4s2 3d5 (Mn, Z=25)

es un elemento de transición (grupo VIIB) ya que su configuración termina en un orbital de tipo d.

En la columna a continuación, se muestra el segmento de la tabla periódica que corresponde al grupo VIIA de los halógenos.

12 A El número cuántico principal (n) tiene relación con el nivel energético en el que se encuentran los electrones de un átomo. Este número cuántico está relacionado tanto con la energía como con la distancia media entre el núcleo y el electrón. Puede tomar valores

desde el 1 hasta el infinito, dependiendo de cuantos niveles energéticos existan para un átomo.

13 D Los subniveles s, p, d y f poseen, respectivamente, 1, 3, 5 y 7 orbitales, cada uno con capacidad de contener como máximo 2 electrones cada uno (Principio Exclusión de Pauli).

14 B Si los subniveles s, p, d y f poseen respectivamente 1, 3, 5 y 7 orbitales y cada orbital pueden alojar a un máximo de 2 electrones, se puede calcular que el número máximo de electrones en los subniveles (orbitales) mencionados será 2, 6, 10 y 14, respectivamente.

15 E El principio de máxima multiplicidad de Hund o regla de Hund, indica que los orbitales deben llenarse parcialmente, uno a uno, para después ser completados.

Dicho de otra forma, en orbitales de igual energía (los tres orbitales p, los cinco d, o los siete f) los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus espines paralelos (desapareados).

En la imagen anterior se ilustra el progreso de la configuración electrónica de varios elementos. En aquellos que poseen orbitales p, se muestra el principio de máxima multiplicidad, llenándose primero los electrones de un spin (+1/2) y quedando las capas semillenas.

16 C La capa más externa de un átomo corresponde a su último nivel energético. Según la configuración

1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 la capa más externa de este átomo es el nivel 3 de energía, donde se encuentran 5 electrones.

17 D Conociendo la configuración electrónica de la capa más externa de un átomo, es posible determinar la configuración completa. En este caso, es

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Por lo que el átomo posee 18 electrones (y 18 protones, puesto que es un átomo neutro), es decir, Z = 18.

18 A El principio de exclusión de Pauli señala que no pueden existir dos electrones con los mismos números cuánticos, ya que tendrían una misma posición en el espacio.

19 E Los átomos señalados en la pregunta presentan una ganancia o pérdida de electrones suficiente para asemejarse al gas noble posterior.

(53I− → [54Xe])

o anterior:

(13Al3+ → [10Ne]; 4Be

2+ → [2He])

20 D El diagrama de orbitales representado en el ejercicio representa los orbitales atómicos 1s, 2s (circulares y anaranjados), 2px, 2py y 2pz (con forma biglobular).

La configuración electrónica de este átomo es:

1s2 2s2 2p5

Por lo tanto, corresponde a un átomo que tiene 9 electrones, de los cuales 7 son electrones de valencia (se encuentran en su capa más externa), distribuidos en la siguiente configuración:

y

x

z

2s2 2px2 2py2 2pz1

Se aprecia que el orbital pz está incompleto, es decir, con un electrón desapareado (afirmación I correcta).

La configuración anterior, puede expresarse más resumidamente como:

2s2 2p5

Esta configuración es característica de los elementos del grupo VIIA, conocido también como el grupo de los halógenos (afirmación II correcta).

21 E El número cuántico magnético (m) describe la orientación espacial del orbital. El sentido de giro del electrón se describe por medio del número cuántico de espín (s). El número cuántico primario (n) determina el nivel energético del electrón, que se relaciona con la distancia entre el núcleo y el último electrón, y el número cuántico

secundario (), la forma del orbital.

22 E A partir de la configuración electrónica,

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

es correcto afirmar que el átomo tiene electrones en 3 niveles de energía, ya que n toma los valores 1, 2 y 3. Sumando los valores de los superíndices, se puede obtener el total de electrones del átomo, que corresponde a 16. Como se trata de un átomo neutro, podemos deducir que su número atómico (Z) es también 16.

La imagen siguiente muestra la configuración electrónica por niveles de energía.

Para determinar el número cuántico m, para este caso, hay que considerar los orbitales 3p como una recta numérica, donde el 0 está ubicado bajo el orbital 3py, tal como lo indica la figura.

El valor de m para el último electrón es −1, ya que se encuentra en el

orbital px.

23 B La afirmación de que “es imposible conocer simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento de una partícula” corresponde al principio de incertidumbre de Heisenberg.

24 C El número atómico (Z) del argón (Ar) es 18. Por lo tanto, el elemento que tiene el mismo número de electrones y la misma configuración electrónica que este gas noble es el Ca2+ (Ca, Z = 20). El Mg2+ y el N3− tienen 10 electrones (son isoelectrónicos con el neón), el N3+ tiene 4 electrones (isoelectrónico con el berilio) y el B3+ tiene 2 electrones (isoelectrónico con el helio).

25 C 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+2 19 17 -- --

Y 19 19 20 39

W-1 19 20 20 39

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).