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SEMANA

05

Academia ADUNI

Material Didáctico

Estructura electrónica del átomo



ESTRUCTURA ELECTRONICA DEL ATOMO

La zona extranuclear es la región que contiene solamente a los electrones desplazándose con una elevada rapidez y con movimiento caótico, estos están dotados de energía y determina la mínima región espacial llamada Orbital. Capa

Zona extranuclear

1 electrón con cuatro números cuánticos

posee

LMN

Subniveles formados por

Núcleo (p++n0)

Orbitales

P

Q

K núcleo 1

2 3 4

Niveles contienen

O

5 6

Nivel (n)

7

Para un nivel (n)  4 en la práctica (real) se cumple que # de subniveles = n # de orbitales = (n)2 # de electrones = como máximo 2(n) 2

NÚMEROS CUÁNTICOS (n, 𝓵, m 𝓵, ms)

Son parámetros numéricos que caracterizan los estados energéticos probables para el electrón en un orbital.

Número cuántico

Para cada electrón

Principal (n)

Define el nivel de energía.

Secundario (𝓵) o azimutal

Define el subnivel de energía (s; p; d; f).

Magnético (m 𝓵)

Define el orbital del subnivel de energía.

Espín magnético (ms)

Denota los posibles sentidos de giros del electrón alrededor de su propio eje.

Valores permitidos n  1; 2; 3; 4; ...; 

𝓵 0; 1; 2; 3; ...; (n – 1) s p d

f

m 𝓵   – 𝓵; ...; 0; ...;  𝓵 desde

hasta

giro antihorario horario

(ms   1/2)

1/2)

orbital lleno

giro

(ms –

Problemas resueltos 1. Según la mecánica cuántica, a cada electrón le corresponde cuatro números cuánticos (n, 𝓵, m𝓵, ms). Indique el juego de números cuánticos que no es posible para 1 electrón. A) 2, 1, 0, 1/2 B) 4, 0, 0, – 1/2 C) 4, 3, – 1, 1/2 D) 3, 3, – 2, – 1/2 Resolución En primer lugar, se debe verificar que n  𝓵; luego que m 𝓵 se encuentre en el intervalo de – 𝓵 hasta  𝓵; finalmente, el espín puede tomar los valores – 1/2 o  1/2. n

𝓵

m 𝓵

A )

2

1

0

B )

4

0

0

C )

4

3

– 1

D )

3

3

– 2

m s

 1/ 2 – 1/ 2  1/ 2 – 1/ 2

De la información anterior se puede identificar que en la alternativa D no se cumple que n 

𝓵. Por lo tanto, este juego de números cuánticos no es posible para 1 electrón. Rpta.: D 2.

Señale las proposiciones incorrectas en relación con la zona extranuclear del átomo de mayor carga nuclear oganesón (Z 118). I. La capa N está saturada de electrones, presenta los subniveles s, p, d y f llenos. II. El orbital 5px puede contener 5 electrones.

III. La energía relativa del subnivel 3p es mayor que la del 3d. A) II y III

B) solo I

C) solo III D) I y III

Resolución Nos piden las proposiciones incorrectas; el átomo de oganesón solo es referencial. I. Correcta La capa N (n 4) está saturado de electrones; tenemos los subniveles (𝓵  4) sharp, principal, difuso y fundamental llenos: 4s 2, 6

4p , 4d

10

14

y 4f .

II.Incorrecta Se refiere al orbital 5px (pertenece al subnivel 5p). En un orbital de cualquier tipo solo se puede contener como máximo dos electrones. III. Incorrecta La energía relativa (ER) se calcula sumando n  𝓵. 3p: ER 3  1  4 3d: ER 3  2  5 Rpta.: A 3.

En el átomo basal de cobalto (Z 27), la estructura electrónica posee el orbital de geometría espacial siguiente. Z

Y X dxy Al respecto marque la alternativa incorrecta. A) B) C) D)

Geométricamente es tetralobular. Puede contener hasta dos electrones. El número cuántico secundario es 2. El número cuántico magnético es  3.

Resolución Nos piden reconocer la alternativa incorrecta. Analizamos cada alternativa. A) Correcta Los orbitales, por su geometría, pueden ser esféricas, dilobulares, tetralobulares y complejas. Representamos los tres primeros. Esféric a

Dilobul ar z

z

Entonces no es posible el valor m 𝓵  3 Rpta.: D 4.

El último electrón en el átomo basal del argón gas noble se representa por el siguiente jue- go de números cuánticos: 3, 1,

Tetralobul ar z



1,

–

1/2.

proposiciones

Al

respecto,

correctas

indique

para

el

las

último

electrón. I. Se encuentra en la capa M.

y x

y x p

s

II. Respecto a su eje de giro, el electrón rota y

x d

z

x y

en sentido antihorario. III. Pertenece al esférica.

orbital

A) solo I

B) solo II

B) Correcta Un orbital se describe por su tamaño, forma y orientación; independiente de estas características puede ser un orbital con elec- trón desapareado (1 electrón) o un orbital con electrones apareado (2 electrones).

C) solo III

D) I y II

C) Correcta El orbital tetralobular corresponde al subnivel difuso (d), es decir, el número cuántico

corresponde.

secundario (𝓵)  2. D) Incorrecta Si 2, entonces los valores que puede tomar m – 2, – 1, 0,  1,  2, uno para cada orbital, tal como se muestra en el siguiente cuadro. orbi tal m

d

d

d

d

dx2

x

x

y

z

2

z

y z

– y2

– 2

– 1

0

 1

2

de

geometría

Resolución Nos piden las proposiciones correctas. El dato

suficiente

significados

para

para

analizar

los

cuatro

son

los

números

cuánticos del elec- trón, mas no a qué átomo

Núm ero cuánt ico n 3

𝓵 1 m 𝓵  1 ms– 1/2

Rpta.: A

Significado para el electrón

Conclusió n

Pertenece al nivel de energía 3 (capa M) Pertenece al subni- vel principal Pertenece al orbital dilobular (pz)

I. Correcta

Giro horario

II. Incorrecta

III. Incorrecta

PRÁCTICA DIRIGIDA 1.

2.

Subni vel

El modelo atómico actual fue desarrollado en la década de 1920 por varios científicos tales como Heisenberg y Schrödinger. En este mo- delo, las órbitas de los electrones del mode- lo atómico anterior son sustituidas por los orbitales. Al respecto, indique la proposición correcta.

(𝓵)

m𝓵

s(𝓵 0)

0

Núm ero de orbit ales

Núm ero máxi mo de electron es

1

2

A) En la actualidad, órbita y orbital tienen 3 6 p(𝓵 1) –101 igual significado. B) El modelo atómico actual descartó por 5 10 d(𝓵 2) completo el modelo atómico anterior. –2–101 C) Al orbital también se le denomina Al respecto, indique la alternativa incorrecta. reempe. D) La cantidad de electrones en un orbital deA) 10 electrones poseen 𝓵 2. pende del tamaño del orbital. B) 2 electrones poseen 𝓵 3 y m 𝓵 0. Para la mecánica cuántica son necesarios cuaC) Solo 1 electrón posee 𝓵 1, m 𝓵1 y ms 1/2. tro números cuánticos (n, 𝓵, m 𝓵, ms) para deD) 32 electrones poseen ms 1/2. terminar el comportamiento de los electrones en los diferentes átomos. Al respecto, indique 4. Las tierras raras no son realmente “tierras”, las proposiciones correctas. conforman un grupo de 17 elementos químiI. El valor del número cuántico espín magcos, uno de los cuales es el lutecio (Z 71). nético (ms ) no está en función de los otros Para el átomo de este elemento, se analiza números cuánticos. teóricamente la zona extranuclear, específicaII. El número cuántico azimutal (𝓵) define el mente la cantidad de electrones por subnivesubnivel de energía del electrón y su valor les u orbitales en la capa N. Indique la está en función de m 𝓵. repre- sentación incorrecta al reportar el III. La cantidad de valores que asume el análisis. número cuántico magnético (m 𝓵) es 2(𝓵)  1, es decir, está en función de 𝓵. A) B) C) D)

3.

Orbitales llenos y valores de

solo II I y II II y III I y III

Según la mecánica cuántica, a cada electrón le corresponde cuatro números cuánticos. En la siguiente tabla se resalta los números cuánti- cos secundario (𝓵) y magnético (m 𝓵):

A) 4s 5.

2

14

B) 4f

6

C) 4p x

D) 4d

10

En los átomos polielectrónicos, la energía de un electrón depende del número cuántico principal y el número cuántico secundario. In- dique el electrón de menor energía, es decir, el electrón de mayor estabilidad en el átomo polielectrónico. A) 5s

1

1

B) 2p

1

C) 3d

D) 5f

1

6.

Se muestran la forma y orientación de los orbitales atómicos del segundo nivel de energía de un átomo polielectrónico. z

y

zy

x

x

z

y

z

py

2.

x

x

s

y

C) Presenta diferentes formas geométricas. D) Dentro de él, los electrones se mueven en trayectorias definidas.

pz

La zona extranuclear del átomo neutro basal (estado cuántico de menor energía) de litio está constituido de 2 orbitales no idénticos, que se muestran a continuación:

px Según la información, halle la secuencia correcta del valor de verdad (V o F) de las proposiciones. I. A los electrones contenidos les corresponde necesariamente el número cuántico princi- pal 2 y el número cuántico secundario 1. II. El orbital esférico como máximo contiene 2 electrones, mientras que un orbital dilobu- lar puede tener más de 2 electrones. III. Los orbitales degenerados pueden estar semillenos. A) FFV 7.

B) FVV

C) FVF

D) VFV

En el átomo de hierro (Z 26), el último electrón con rotación horaria, probablemente, se encuentra en el orbital tetralobular d xy cuya forma y orientación es z y

x

Indique los probables números para el electrón indicado. A) 3, 3, 1, 1/2 C) 3, 2, – 2, – 1/2 1.

B) 4, 1, – 1, – 1/2 D) 3, 2, – 2, 1/2

Respecto al orbital atómico, indique la proposición incorrecta. A) Es una región espacial que se encuentra en la zona extranuclear. B) Contiene como máximo 2 electrones.

PRÁCTICA DOMICIlIARIA

z y

y

1 s Considerando esta información, halle la secuencia correcta del valor de verdad (V o F) de las proposiciones. I. Los orbitales son esféricos. II. Los orbitales tienen igual tamaño. III. Si el primer orbital está lleno, entonces los electrones están apareados. A) VVV 3.

B) FVV

C) VVF

D) VFV

Considerando la zona extranuclear de un áto- mo polielectrónico eléctricamente neutro, se- ñale la alternativa incorrecta. A) La capa N contiene como máximo 16 orbitales. B) El nivel 3 contiene como máximo 18 electrones. C) El subnivel difuso está constituido de 5 or- bitales degenerados. D) El nivel 2 contiene 4 orbitales idénticos.

4.

En un átomo polielectrónico como el fósfo- ro (Z 15), los números cuánticos magnéti- cos y secundarios indican para el electrón, respectivamente, A) B) C) D)

subnivel y nivel de energía. orbital y subnivel de energía. subnivel y masa. nivel y subnivel de energía.

z x 2 s

5.

El en átomo azufre (Z 16), el último electrón probablemente se encuentra en el orbital dilobular, orientado en el eje x, de este modo

En la siguiente oxidación del átomo de potasio: 1 K(g)  energía  K(g)  1 electrón liberado indique el posible valor del número cuántico principal del electrón liberado.

z y x

A) 

px

9.

Indique los números cuánticos permitidos para el último electrón. A) 3; 2; 1; 1/2 C) 3; 3; 1; 1/2 6.

D) 7

El uranio es el elemento químico de origen natu- ral con mayor número atómico (Z 92), es decir, por cada á tomo hay 92 protones y 92 electrones. En la estructura electrónica, la cuarta capa está saturada de electrones. Indique la canti- dad de orbitales llenos que poseen las capas N y M respectivamente.

A) 3s

B) solo II C) solo III D) I y II

Cuando hablamos de los orbitales atómicos, nos referimos al lugar, por decirlo de algún modo, en donde existe una amplia probabilidad de encontrar 1 o 2 electrones. Considerando el orbital con 2 electrones, indique los respectivos números cuánticos para los electrones. A) 2; 1; 1; 1/2 y 2; 1; 1; – 1/2 B) 2; 0; 0; 1/2 y 3; 0; 0; – 1/2 C) 5; 3; 0; 1/2 y 4; 3; 0; – 1/2 D) 3; 2; – 2; 1/2 y 3; 2; – 1; – 1/2

8.

C) 5

El penúltimo electrón en el átomo basal del A) 9 y 16 B) 32 y 18 C) 16 y 9 D) 18 y 32 argón se representa por el siguiente juego de números cuánticos 3, 1, 0, – 1/2. Al respecto, indique las proposiciones 10. El átomo neutro basal del zinc posee 30 incorrectas para el penúltimo electrón. elec- trones, distribuidos en diferentes I. Se encuentra en el nivel 3 o capa M. subniveles de energía saturados de II. Respecto a su eje de giro, el electrón rota electrones que a la vez pertenecen a un en sentido horario. nivel de energía. Indique la representación III. Pertenece al orbital de geometría del subnivel que no corres- ponde al zinc. esférica. A) solo I

7.

B) 3; 0; – 1; – 1/2 D) 3; 1; – 1; – 1/2

B) 4

03-D 04-B

05-D 06-C

B) 3d

10

C) 5s

1

D) 3p

6

11. En un átomo polielectrónico, 2 o más subniveles de energía pueden tener igual energía relativa. Indique estos subniveles. A) 4s, 4p, 4d C) 4f, 5d, 6s

B) 4s, 5s, 6s D) 4d,5p, 6s

12. En los átomos polielectrónicos, las energías de los subniveles de un mismo nivel no son idénticas, por ello se evalúa la energía relativa; asimismo, el subnivel de menor energía será el más estable. Indique la alternativa donde los subniveles se ordenan según la estabilidad.

Para un electrón, el número cuántico principal (n) puede tomar los siguientes valores: n 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; ... .

01-D 02-D

2

A) 4s  4p  4d C) 3s  4p  5d

07-A 08-A

09-C 10-C

B) 3d  3p  3s D) 4s  3d  4p

11-D 12-B