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T1: Estructura atómica
Números cuánticos y configuración electrónica
Teoría
2020 · Ordinaria · Reserva
B1
Examen
BLOQUE B (Cuestiones)

Dado un elemento de número atómico 20:

a) Escriba los números cuánticos para los electrones de su capa de valencia.b) En base a los números cuánticos, explique cuántos orbitales hay en su subnivel 3p y cuántos electrones caben en él.c) Justifique cuál sería el ion más estable de este elemento.
números cuánticosconfiguración electrónica
a) Los números cuánticos describen los estados energéticos de los electrones en un átomo. El número cuántico principal (nn) indica el nivel de energía y el tamaño del orbital (n=1,2,3...n = 1, 2, 3...); el número cuántico secundario (ll) define la forma del orbital y depende de nn (l=0,1,...,n−1l = 0, 1, ..., n-1), donde los valores 0,1,2,30, 1, 2, 3 corresponden a los orbitales s,p,d,fs, p, d, f respectivamente; el número cuántico magnético (mlm_l) indica la orientación espacial del orbital (ml=−l,...,0,...,+lm_l = -l, ..., 0, ..., +l); y el número cuántico de espín (msm_s) describe el sentido de giro del electrón (±1/2\pm 1/2).

Siguiendo el principio de construcción de Aufbau, la configuración electrónica del elemento con Z=20Z = 20 es:

1sX2 2sX2 2pX6 3sX2 3pX6 4sX2\ce{1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2}

La capa de valencia es el último nivel de energía ocupado, en este caso el nivel n=4n = 4. Contiene el subnivel 4s4s con dos electrones (4s24s^2). Para un orbital ss, el valor de ll es 00, lo que implica que mlm_l solo puede ser 00. Aplicando el Principio de Exclusión de Pauli, los dos electrones deben tener espines opuestos. Los números cuánticos (n,l,ml,ms)(n, l, m_l, m_s) para los dos electrones de valencia son:

Electroˊn 1: (4,0,0,+1/2)\text{Electrón 1: } (4, 0, 0, +1/2)
Electroˊn 2: (4,0,0,−1/2)\text{Electrón 2: } (4, 0, 0, -1/2)
b) En el subnivel 3p3p, el número cuántico principal es n=3n = 3 y el secundario es l=1l = 1 (característico de los orbitales pp). Los posibles valores para el número cuántico magnético son ml=−1,0,+1m_l = -1, 0, +1. Dado que cada valor de mlm_l representa un orbital orientado en el espacio, existen 3 orbitales en este subnivel (3px,3py,3pz3p_x, 3p_y, 3p_z). Según el Principio de Exclusión de Pauli, en cada orbital solo pueden alojarse un máximo de 2 electrones con espines opuestos, por lo tanto, en el subnivel 3p3p caben un máximo de 3×2=63 \times 2 = 6 electrones.c) El ion más estable de este elemento es el catión CaX2+\ce{Ca^2+}. Este elemento (calcio) tiende a alcanzar la configuración electrónica de gas noble más cercano, el argón (Ar\ce{Ar}), para obtener la máxima estabilidad que confiere tener el último nivel completo (octeto). Para ello, el átomo de calcio pierde los dos electrones situados en su capa de valencia (4s24s^2), quedando con la configuración:
CaX2+:1sX2 2sX2 2pX6 3sX2 3pX6\ce{Ca^2+}: \ce{1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6}