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Capítulo 8 - Configuración electrónica y periodicidad química

Capítulo 8 - Configuración electrónica y periodicidad química. 8.1 Desarrollo de la tabla periódica 8.2 Características de átomos con muchos electrones 8.3 El modelo mecánico-cuántico y la tabla peíódica 8.4 Tendencias en algunas propiedades periódicas atómicas clave

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Capítulo 8 - Configuración electrónica y periodicidad química

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  1. Capítulo 8 - Configuración electrónica y periodicidad química 8.1 Desarrollo de la tabla periódica 8.2 Características de átomos con muchos electrones 8.3 El modelo mecánico-cuántico y la tabla peíódica 8.4 Tendencias en algunas propiedades periódicas atómicas clave 8.5 La conexión entre la estructura atómica y la reactividad química

  2. Predicciones de Mendeleev de las propiedades del germanio (“eka Silicon”) y sus propiedades reales Propiedad Propiedades predichas Propiedades reales Masa atómica 72 72.59 Apariencia Metal gris Metal gris Densidad 5.5 g/cm3 5.35 g/cm3 Volumen molar 13 cm3 /mol 13.22 cm3/mol Capacidad calórica específica 0.31 J/g K 0.32 J/g K Densidad del óxido 4.7 g/cm3 4.23 g/cm3 Fórmula del sulfuro y ES2; insoluble en GeS2; insoluble en solubilidad H2O; soluble en H2O; soluble en (NH4)S acuoso (NH4)S acuoso Fórmula del cloruro ECl4 GeCl4 (punto de ebullición) < 100oC 84oC Densidad del cloruro 1.9 g/cm3 1.844 g/cm3 Preparación del elemento reducción de K2EF6 reducción de K2GeF6 con sodio con sodio

  3. Observación del efecto del espín del electrón Fuente de átomos de H Haz de átomos de H Pantalla detectora Dirección del campo magnético externo no uniforme Imán Fig. 8.1

  4. Resumen de números cuánticos de los electrones en átomos Nombre Símbolo Valores permitidos Propiedad Principal n Enteros positivos(1,2,3, etc.) Energía del orbital (tamaño) Momento l Enteros desde 0 hasta n - 1 Forma del orbital angular (los valores de l 0, 1, 2, y 3 corresponden a los orbitales s, p, d, y f respectivamente) Magnético ml Enteros desde -l a 0 a +l Orientación orbital Spin ms + 1/2 o -1/2 Dirección del espin de e- Tabla 8.2

  5. Números cuánticos - I • 1) Número cuántico principal = n • También llamado el número cuántico “de la energía”, indica la distancia aproximada desde el núcleo. • Denota el nivel de energía del electrón alrededor del átomo, y se deriva directamente de la ecuación de Schrodinger. • Mientras más grande es el valor de “n”, más grande es la energía del orbital y, por ende, la energía de los electrones ubicados en ese orbital. • Sus valores son enteros positivos, n = 1 , 2 , 3 , etc.

  6. Números cuánticos - II • 2) Momento angular (l) • Denota los distintos subniveles de energía dentro del nivel principal “n”. • También indica la forma de los orbitales alrededor del núcleo. • Sus valores son enteros positivos: 0 ( n-1 ) • n = 1 ,l = 0n = 2 ,l = 0 y 1 n = 3 , l = 0 , 1 , 2

  7. Números cuánticos - III • 3) Número cuántico magnético - ml también llamado número cuántico de orientación orbital • Denota la orientación en un campo magnético – o define las diferentes direcciones del orbital en el espacio alrededor del núcleo. • Los valores pueden ser negativos o positivos (-l 0 +l) • l = 0 , ml = 0l =1 , ml = -1,0,+1 l = 2 , ml = -2,-1,0,1,2

  8. Números cuánticos - IV • 4) Número cuántico de espín- ms – denota el giro del electrón + o - • Los valores del espín pueden ser : + 1 / 2 o - 1 / 2 • n =1 l = 0 ml = 0 ms = +1/ 2 y -1/ 2 • n = 2 l = 0 ml = 0 ms = +1/ 2 y -1/ 2 l = 1 ml = -1 ms = +1/ 2 y -1/ 2 • ml = 0 ms = +1/ 2 y -1/ 2 ml = +1 ms = +1/ 2 y -1/ 2

  9. Evidencia espectral de la división de niveles de energía en átomos con muchos electrones Espectro He Espectro H Fig. 8.2

  10. Efectos electrostáticos y energías orbitales Penetración de 2s Energía Energía Energía Probabilidad radial Energía Energía A Carga nuclear B Protección C Electrón interno protegido D Penetración Fig. 8.3

  11. Orden para el llenado de subniveles de energía con electrones Energía Fig. 8.4

  12. Principio de exclusión de Pauli: Cada electrón en un átomo debe tener un conjunto único de númertos cuánticos Sólo dos electrones pueden ser descritos por el mismo orbital y estos dos electrones deben tener un espín opuesto.

  13. Como resultado del principio de exclusión de Pauli : • Los electrones con el mismo espín permanecen separados dado que los electrones de espín opuesto pueden ocupar la misma región del espacio.

  14. Números cuánticos - V • n = 1l = 0 ml = 0 ms = + 1/ 2 y - 1/ 2 • n = 2l = 0ml = 0 para todos los orbitales • l = 1 ml = -1 , 0 , +1 • n = 3 l = 0 ml = 0 • l = 1 ml = -1 , 0 , +1 • l = 2ml = - 2 , -1 , 0 , +1 , +2 • n = 4l = 0ml = 0 • l = 1ml = -1 , 0 +1 • l = 2ml = - 2 , -1 , 0 , +1 , +2 • l = 3ml = - 3 , - 2 , - 1 , 0, +1,+2 ,+3

  15. Números cuánticos - VI Valores permitidos n 1 2 3 4 l 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 ml 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 +1 0 -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 -2 -1 0 +1 +2 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 ms Todos espín + o - 1/2 +1/2 -1/2

  16. Números cuánticos - VII Gases Nobles Orbitales de electronesNúmero de electronesElemento 1s2 2 He 1s2 2s22p6 10 Ne 1s2 2s22p6 3s23p6 18 Ar 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p6 36 Kr 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p6 5s24d105p6 54 Xe 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p6 5s24d105p6 6s24f14 5d106p6 86 Rn 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p6 5s24d105p6 6s24f145d106p6 118? 7s25f146d10

  17. Conclusiones principales de los estudios de estabilidad orbital - I 1) El efecto de la carga nuclear (Z) sobre la energía del orbital He+ y H tienen un electrón pero He+ tiene 2 protones, lo que duplica la fuerzas de atracción sobre los electrones: Energía de ionización para los dos: He+ = - 5250 kJ / mol H = - 1311 kJ / mol 2) El efecto de un electrón adicional sobre la energía del orbital He tiene dos electrones, visto que He+ tiene sólo uno, la repulsión resultante de los electrones en el orbital de He da una mayor energía de orbital (número negativo más pequeño). E para He+ = -5250 kJ / mol E para He = -2372 kJ / mol

  18. Conclusiones principales de los estudios de estabilidad orbital - II 3) El efecto de electrones internos sobre la energía de orbitales externos Los electrones internos (1s) protegen a los electrones externos (2s) de la fuerza de atracción completa del núcleo, haciendo al orbital 2s más alto en energía. Este escudo significa que la carga nuclear efectiva (Zef), la carga nuclear que realmente experimenta un electrón, es menor para un electrón que se encuentra en un orbital externo. E of H 1s = - 1311 kJ/mol and E of Li 2s = - 520 kJ/mol 4) El efecto de la forma del orbital (valor de l) sobre su energía Debido a su forma diferente, un electrón 2s está, en promedio, un poco más lejos del nucleo que uno 2p, por lo tanto, deberíamos esperar que un electrón 2s sea atraído con menos fuerza y que tenga más energía. Pero debido a que un electrón 2s también tiene una probabilidad más pequeña de “penetrar” muy cerca del nucleo, se reduce la energía del electrón 2s, y lo hace de menor energía que un electrón 2p.

  19. Configuración electrónica del Helio y el Litio • He 1s2 • n = 1 L = 0 mL = 0 ms = + 1/ 2 • n = 1 L = 0 mL = 0 ms = - 1/ 2 • Li 1s2 2s1 • n = 1 L = 0 mL = 0 ms = + 1/ 2 • n = 1 L = 0 mL = 0 ms = - 1/ 2 • n = 2 L = 0 mL = 0 ms = - 1/ 2

  20. Diagrama de orbital de caja - I H Be Elemento Símbolo Configuración Diagrama de caja del orbital electrónica Hidrógeno H 1s1 Helio He 1s2 Litio Li 1s22s1 Berilio Be 1s22s2 1s 2s 1s 2s 2s 1s 1s 2s

  21. Diagrama de orbital vertical para el estado basal del Li Energía Fig. 8.5

  22. Regla de Hund • Para un átomo en su estado de basal, todos los electrones no apareados tienen la misma orientación de espín. • Por tanto los electrones tienden a ocupar todos los orbitales libres y no aparearse, de manera que sus espines se agreguen para producir un vector general para el átomo.

  23. Ocupación de orbitales para los 10 primeros elementos, del H al Ne Periodo Periodo Fig. 8.6

  24. Diagrama de orbital de caja - II B Ne 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz 1s 2s 2px 2py 2pz B (5 e-) 1s2 2s2 2p1 C (6 e-) 1s2 2s2 2p2 N (7 e-) 1s2 2s2 2p3 O (8 e-) 1s2 2s2 2p4 F (9 e-) 1s2 2s2 2p5 Ne (10 e-) 1s2 2s2 2p6

  25. Electrones de valencia y centrales • Electrones de valencia – Son aquellos electrones fuera de las capas electrónicas cerradas. Estos electrones toman parte en las reacciones químicas. • Electrones centrales – Son los electrones en las capas cerradas. No pueden tomar parte en las reacciones químicas. • Sodio 11 electrones • Electrones de valencia [Ne] 3s 1 --- uno • Electrones centrales 1s 2 2s 2 2p 6 --- diez • Cloro 17 electrones • Electrones de valencia [Ne] 3s 2 3p 5---- siete • Centrales1s2 2s 2 2p 6 ---- diez

  26. Números cuánticos y el número de electrones • n L m s # e- ## • ========================================================== • 1 0 0 (1s) +1/2 - 1/2 2 2* • 2 0 0 (2s) +1/2 -1/2 2 4 • 1 -1,0,+1 (2p) +1/2-1/2 6 10* • 3 0 0 (3s) +1/2-1/2 2 12 • 1 -1,0,+1 (3p) +1/2-1/2 6 18* • 2 -2,-1,0,+1,+2(3d) +1/2-1/2 10 28 • 4 0 0 (4s) +1/2-1/2 2 30 • 1 -1,0,+1 (3p) +1/2-1/2 6 36* * Denota un gas noble

  27. 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p Orden del llenado de electrones

  28. Configuración electrónica - I • H 1s 1 • He 1s 2 [He] • Li 1s2 2s 1 [He] 2s 1 • Be 1s2 2s 2 [He] 2s 2 • B 1s2 2s 2 2p 1 [He] 2s 2 2p 1 • C 1s 2 2s 2 2p 2 [He] 2s 2 2p 2 • N 1s 2 2s 2 2p 3 [He] 2s 2 2p 3 • O 1s 2 2s 2 2p 4 [He] 2s 2 2p 4 • F 1s 2 2s 2 2p 5 [He] 2s 2 2p 5 • Ne 1s 2 2s 2 2p 6 [He] 2s 2 2p6 =[Ne]

  29. Configuración electrónica - II • Na [Ne] 3s 1 • Mg [Ne] 3s 2 • Al [Ne] 3s 2 3p 1 • Si [Ne] 3s 2 3p 2 • P [Ne] 3s 2 3p 3 • S [Ne] 3s 2 3p 4 • Cl [Ne] 3s 2 3p 5 • Ar [Ne] 3s 2 3p6 == [Ar]

  30. Configuraciones electrónicas condensadas en estado basal en los tres primeros períodos Periodo Fig. 8.7

  31. Diagramas de orbital de caja - III Na Ar Número atómico Diagrama de orbital Configuración elec- Elemento de caja (3s y 3p) trónica condensada 11 Na [He] 3s1 12 Mg [He] 3s2 13 Al [He] 3s23p1 14 Si [He] 3s23p2 15 P [He] 3s23p3 16 S [He] 3s23p4 17 Cl [He] 3s23p5 18 Ar [He] 3s23p6 3s 3px 3py 3pz 3s 3px 3py 3pz 3s 3px 3py 3pz 3s 3px 3py 3pz 3s 3px 3py 3pz 3s 3px 3py 3pz 3px 3py 3pz 3s

  32. Reactividades similares dentro de un grupo Fig. 8.8

  33. Configuración electrónica - III • K [Ar] 4s 1 • Ca [Ar] 4s 2 o este orden es correcto • Sc [Ar] 4s 2 3d 1 [Ar] 3d 1 4s 2 • Ti [Ar] 4s 2 3d 2 [Ar] 3d 2 4s 2 • V [Ar] 4s 2 3d 3 [Ar] 3d 3 4s 2 • Cr [Ar] 4s 1 3d 5 • Mn [Ar] 4s 2 3d 5 • Fe [Ar] 4s 2 3d 6 El orden puede ser correcto • Co [Ar] 4s 2 3d 7 Pero normalmente es mejor • Ni [Ar] 4s 2 3d 8 poner el último en llenarse • Cu [Ar] 4s 1 3d 10 • Zn [Ar] 4s 2 3d 10 Anomalías en el llenado Anomalías en el llenado

  34. Diagrama de orbital de caja - IV Sc Zn 4s 3d Z = 21 Sc [Ar] 4s2 3d1 Z = 22 Ti [Ar] 4s 2 3d 2 Z = 23 V [Ar] 4s 2 3d 3 Z = 24 Cr [Ar] 4s1 3d 5 Z = 25 Mn [Ar] 4s 2 3d 5 Z = 26 Fe [Ar] 4s 2 3d 6 Z = 27 Co [Ar] 4s 2 3d 7 Z = 28 Ni [Ar] 4s 2 3d 8 Z = 29 Cu [Ar] 4s 1 3d 10 Z = 30 Zn [Ar] 4s 2 3d 10

  35. Configuración electrónica - IV • Ga [Ar] 4s 2 3d 10 4p 1 • Ge [Ar] 4s 2 3d 10 4p 2 • As [Ar] 4s 2 3d 10 4p 3 • Se [Ar] 4s 2 3d 10 4p 4 • Br [Ar] 4s 2 3d 10 4p 5 • Kr [Ar] 4s 2 3d 10 4p 6 = [Kr]

  36. Configuración electrónica - V Anomalías en el llenado • Rb [Kr] 5s 1 • Sr [Kr] 5s 2 • Y [Kr] 5s 24d 1 • Zr [Kr] 5s 2 4d 2 • Nb [Kr] 5s 1 4d 4 • Mo [Kr] 5s 1 4d 5 • Tc [Kr] 5s 2 4d 6 • Ru [Kr] 5s 1 4d7 • Rh [Kr] 5s 1 4d 8 • Pd [Kr] 4d 10 • Ag [Kr] 5s 1 4d 10 • Cd [Kr] 5s 2 4d 10

  37. Configuración electrónica - VI • In [Kr] 5s 2 4d 10 5p 1 • Sn [Kr] 5s 2 4d 10 5p 2 • Sb [Kr] 5s 2 4d 10 5p 3 • Te [Kr] 5s 2 4d 10 5p 4 • I [Kr] 5s 2 4d 10 5p 5 • Xe [Kr] 5s 2 4d 10 5p 6 = [Xe]

  38. Configuración electrónica - VII • Cs [Xe] 6s 1 • Ba [Xe] 6s 2 • La [Xe] 6s2 5d 1 • Ce [Xe] 6s 2 5d 1 4f 1 • Pr [Xe] 6s 2 4f 3 • Nd [Xe] 6s 2 4f 4 • Pm [Xe] 6s 2 4f 5 • Sm [Xe] 6s 2 4f 6 • Eu [Xe] 6s 2 4f 7 • Gd [Xe] 6s 2 3d 1 4f 7 • Tb [Xe] 6s 2 4f 9 • Dy [Xe] 6s 2 4f 10 • Ho [Xe] 6s 2 4f 11 • Er [Xe] 6s 2 4f 12 • Tm [Xe] 6s 2 4f 13 • Yb [Xe] 6s 2 4f 14 • Lu [xe] 6s 2 3d 1 4f 14 Anomalías en el llenado

  39. Configuración electrónica - VIII • Hf [Xe] 6s 2 4f 14 5d 2 • Ta [Xe] 6s 2 4f 14 5d 3 • W [Xe] 6s 2 4f 14 5d 4 • Re [Xe] 6s 2 4f 14 5d 5 • Os [Xe] 6s 2 4f 14 5d 6 • Ir [Xe] 6s 2 4f 14 5d 7 • Pt [Xe] 6s 1 4f 14 5d 9 • Au [Xe] 6s 1 4f 14 5d 10 • Hg [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 • Tl [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 1 • Pb [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2 • Bi [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 3 • Po [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 4 • At [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 5 • Rn [xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 = [Rn] Anomalías en el llenado

  40. Configuración electrónica - IX • Fr [Rn] 7s 1 • Ra [Rn] 7s 2 • Ac [Rn] 7s 2 6d 1 • Th [Rn] 7s 2 6d 2 • Pa [Rn] 7s 2 5f 2 6d 1 • U [Rn] 7s 2 5f 3 6d 1 • Np [Rn] 7s 2 5f 4 6d 1 • Pu [Rn] 7s 2 5f 6 • Am [Rn] 7s 2 5f 7 • Cm [Rn] 7s 2 5f 7 6d 1 • Bk [Rn] 7s 2 5f 9 • Cf [Rn] 7s 2 5f 10 • Es [Rn] 7s 2 5f 11 • Fm [Rn] 7s 2 5f 12 • Md [Rn] 7s 2 5f 13 • No [Rn] 7s 2 5f 14 • Lr [Rn] 7s 2 5f 14 6d 1 Anomalías en el llenado

  41. La tabla periódica de los elementos Estructura electrónica H He Li Be B C N O F Ne Ar Na Mg Al Si P S Cl Kr K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Xe Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Rn Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Fr Ra Ac Rf Ha Sg Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Orbitales “p“ Orbitales “s“ Orbitales “f“ Orbitales “d“

  42. La tabla periódica de los elementos Anomalías en el llenado de electrones H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nd Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Du Sg Bo Ha Me Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Llenado anómalo de electrones

  43. Grupos principales de elementos (bloque s) Tabla periódica de las configuraciones parciales en estado basal Grupos principales de elementos (bloque p) Elementos de trancisión (bloque d) Número de periodo: máximo de nivel de energía ocupado Elementos de trancisión(bloque f) *Lantánidos **Actínidos Fig. 8.9

  44. Relación entre el llenado de orbitales y la tabla periódica bloque p bloque f bloque d bloque s Fig. 8.10

  45. Configuración electrónica de iones • Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Na+ 1s 2 2s 2 2p 6 • Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 Mg+2 1s 2 2s 2 2p6 • Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Al+3 1s 2 2s 2 2p 6 • O 1s 2 2s 2 2p 4 O- 2 1s 2 2s 2 2p 6 • F 1s 2 2s 2 2p 5 F- 1 1s 2 2s 2 2p 6 • N 1s 2 2s 2 2p 3 N- 3 1s 2 2s 2 2p 6

  46. Definición de los radios metálico y covalente Radio metálico del Al Longitud de enlace Radio covalente del Cl Enlace Cl - Cl Radio covalente del C Radio covalente del Cl Enlace C-Cl Fig. 8.11

  47. Radios atómicos de los grupos principales y elementos de transición Periodo Fig. 8.12

  48. Periodicidad del radio atómico Radio atómico (pm) Numero atómico, Z Fig. 8.13

  49. Ordenamiento de elementos por su tamaño Problema: Ordene descendentemente los siguientes elementos en cada grupo, de acuerdo con su tamaño (el más grande al inicio): a) Na, K, Rb b) Sr, In, Rb c) Cl, Ar, K d) Sr, Ca, Rb Plan: Encuentre su posición relativa en la tabla periódica y aplique la tendencia. Solución: a) Rb > K > Na Estos elementos son todos metales alcalinos los cuales incrementan su tamaño conforme bajan en el grupo. b)Rb > Sr > In Estos elementos están en el periodo 5 y su tamaño decrece conforme se avanza en el periodo. c) K > Cl > Ar Estos elementos son contiguos a un gas noble y éste es el de menor diámetro. d) Rb > Sr > Ca Estos elementos están cerca uno de otro, el Sr bajo el Ca por tanto es más grande y el Rb está enseguida del Sr y es más grande.

  50. Periodicidad de la primera energía de ionización (EI1) Primera energía de ionización (kJ/mol) Número atómico Fig. 8.14

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