02 Estructura atómica y Tabla Periodica PDF

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Química 2021-2. Informes de trabajo para la facilidad de aprendizaje....

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U1. TEMA 2

ESTRUCTURA ATÓMICA Y TABLA PERIÓDICA 2.1 EL ÁTOMO: Usa la notación atómica para representar átomos e iones. 2.2 CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA: Representa los electrones de valencia mediante Notación Lewis tomando como base la CE de elementos químicos de importancia en Ingeniería. 2.3 LA TABLA PERIÓDICA: Describe la forma como se relaciona la configuración electrónica de un elemento con su ubicación en la Tabla Periódica (grupo y periodo) 2.4 LOS GRANDES GRUPOS DE LA TABLA PERIODICA: Identifica los principales grupos de la Tabla Periódica. 2.5 PROPIEDADES PERIÓDICAS: Describe las principales propiedades periódicas de elementos químicos de importancia en ingeniería.

2.1

El átomo

La Teoría atómica moderna nos dice que los átomos son los bloques básicos de construcción de la materia, son las unidades más pequeñas de un elemento químico que se pueden combinar con otros elementos. Los átomos se componen de partículas todavía más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. Poseen un núcleo cargado positivamente en cuyo interior se encuentran los protones y neutrones. Los electrones se encuentran en la nube electrónica y ocupan casi todo el volumen del átomo. Un electrón puede encontrarse potencialmente a cualquier distancia del núcleo, pero dependiendo de su nivel de energía, tiende a estar con más frecuencia en ciertas regiones alrededor del núcleo que en otras; estas zonas son conocidas como orbitales atómicos. Tabla: Principales características de las partículas subatómicas Parte del átomo

Partícula

Símbolo

Masa (g)

Masa (uma)

Carga

Núcleo 99,9% de la masa del átomo

Protón

p+

1,6726x10-24

1,0073

+1

o

1.6749x10-24

1,0087 5,486×10-4

0

Orbital

Neutrón Electrón

n

e

-

-28

9,109x10

-1

Si observamos la tabla anterior, se verá que el protón y el neutrón tienen aproximadamente la misma masa, mientras que el electrón tiene una masa significativamente menor. Puesto que la masa del electrón es despreciable comparada a la de los protones y neutrones, podemos considerar que la masa de un átomo prácticamente es la suma de la masa de los neutrones y protones que se encuentran empaquetadas en el centro del átomo en un núcleo diminuto (diámetro aproximado 1x10-15 m). Notación atómica Número Símbolo del A Los átomos se identifican por el número de protones y de masa elemento neutrones que contienen. Su representación atómica es: Número Atómico

Z

X

Número atómico (Z) Indica el número de protones en el núcleo de un átomo. Se simboliza con la letra Z. En un átomo neutro la cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones.

Z = Número de protones

Número de masa (A) Es la suma del número de protones y neutrones contenidos en el núcleo.

1

A = #Protones + #Neutrones

H1. Usa la notación atómica para representar átomos e iones Ejercicio resuelto 1: ¿Cuál es la notación atómica del elemento sodio que contiene 11 protones y 12 neutrones? Solución: (Estrategia: Primero identifica el número atómico y luego calcula el número de masa)

El Sodio, contiene 11 protones y 12 neutrones, luego: Z= 11 A =11+12= 23 Ejercicio resuelto 2 ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tienen el átomo Solución:

23 11

Na

197 79

Au

Esta es la notación atómica de un átomo neutro.

?

(Estrategia: Identifica Z y usando A determina la cantidad de neutrones)

Z= # protones = 79 # electrones = #protones = 79 (átomo neutro)

A – Z = # neutrones = 197- 79 = 118

¡Ahora tú sólo!  ¿Cuál es la notación atómica del elemento cloro que contiene 17 protones y 18 neutrones?

 ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tienen el átomo

27 13

Al ?

Iones ¿Qué sucede cuando un átomo cede o gana electrones? Se forman iones, éstos pueden ser cationes (el átomo pierde electrones y se carga positivamente) o aniones (el átomo gana electrones y se carga negativamente). -1 Catión: 11Na+1 Anión: 17Cl 11 p + 17 p+ — 10 e 18 e— Carga +1 Carga - 1

H1. Usa la notación atómica para representar átomos e iones Ejercicio resuelto 3: ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tienen el ion Solución:

197 79

Au 3?

(Estrategia: Identifica el número atómico y el número de masa, calcula los electrones y neutrones.)

2

#protones = Z = 79 #electrones = #protones – 3 = 76 #neutrones = A – Z = 197- 79 = 118

¿Por qué son 76 electrones?

(catión +3: perdió 3 electrones)

¡Ahora tú sólo! ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tienen el ion

40 20

Ca+2 ?

2.2 Distribución o configuración electrónica (CE) La estructura electrónica de un átomo no sólo se refiere al número de electrones que un átomo posee, sino también a su distribución alrededor del átomo. La forma en que los electrones van ocupando los diferentes orbitales de un átomo se denomina configuración electrónica. Pero, ¿cómo es la configuración electrónica de un átomo? El llenado de electrones en los orbitales se realiza de acuerdo al Principio de Aufbau. Este principio, establece que los electrones se van llenando por orden creciente de energía. El siguiente esquema nos ayuda a llenar adecuadamente los electrones: Diagrama de orden de llenado para determinar la configuración electrónica de los elementos.

La configuración electrónica de la mayoría de átomos se expresa mediante la siguiente secuencia:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6 [2He]

[10Ne]

[18Ar]

[36Kr]

[54 Xe]

[86Rn]

Entonces las configuraciones del oxígeno, sodio y aluminio respectivamente son:  8O: 1s2 2s2 2p4.  

19

K : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p64s1 27 13

Al : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Nivel de valencia y electrones de valencia El último nivel ocupado por los electrones de un átomo es el llamado nivel de valencia (nivel de energía más externo). Los electrones en este nivel son los electrones de valencia y tienen una gran importancia, pues son los que participan en la formación de los compuestos químicos. Por ejemplo: Para el potasio su configuración electrónica es:

Para el aluminio su configuración electrónica es:

3

1s2 2s2 2p6 3s2 3p64s1

Electrones de valencia=1

Electrones de valencia=3

1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

Nivel de valencia

Nivel de valencia

Símbolo de Lewis Los electrones de valencia son representados mediante la notación o símbolo de Lewis. Alrededor del símbolo del elemento se colocan los electrones de valencia usando puntos. Un par de electrones puede representarse también mediante un guion. Cuando se escribe el símbolo de Lewis de un ion , la estructura entera es ubicada entre corchetes, y la carga se escribe como un exponente, fuera de los corchetes. La tendencia de los iones de los elementos del sistema periódico es completar sus últimos niveles de energía con una 8 electrones (regla del octeto) de tal forma que adquiere una configuración muy estable, por lo tanto cada elemento precisa ganar (carga -) o perder electrones (carga +). Representación gráfica de los electrones de valencia (símbolo de Lewis) de algunos átomos. Elemento

e- valencia

O (Z=8)

6

Na (Z=11)

1

Notación de Lewis del átomo neutro

Notación de Lewis del ion más estable

[ Na ]+1

H2. Representa los electrones de valencia mediante Notación Lewis tomando como base la configuración electrónica de elementos químicos de importancia en Ingeniería. Ejercicio resuelto 4: Escribe la configuración electrónica del elemento cuyo Z= 34, luego determine: nivel de valencia, electrones de valencia, numero de electrones, protones, símbolo de Lewis del átomo neutro y de su ion más estable. Solución: (Estrategia: Primero realizamos la configuración electrónica, identificamos el nivel de valencia, los electrones de valencia y finalmente representa los electrones de valencia mediante Notación Lewis )

Configuración electrónica: 1s22s22p63s23p64s23d104p4 N° electrones: 34

N° protones: 34

Nivel de valencia : 4

Electrones de valencia: 6

Notación de Lewis

Notación de Lewis del ion más estable

Puedes observar que la notación Lewis del átomo neutro es diferente a la de un ion.

¡Ahora tú sólo! Escribe la configuración electrónica del calcio (número atómico es 20) y luego determine: número de electrones, protones, nivel de valencia, electrones de valencia, Notación de Lewis del átomo neutro y la de su ion más estable.

4

C.

5

2.3

La Tabla Periódica

La Tabla Periódica es una herramienta útil que correlaciona las propiedades de los elementos de una forma sistemática y ayuda a hacer predicciones con respecto al comportamiento químico de los elementos. La actual Tabla periódica, ordena a los elementos de acuerdo a la “Ley Periódica de los Elementos” que nos dice lo siguiente: “Las propiedades de los elementos químicos no son arbitrarias sino que dependen de la estructura de sus átomos y varían periódicamente con su número atómico (Z) “. La Tabla Periódica actual cuenta 7 filas horizontales llamados PERIODOS, y 18 columnas verticales llamadas GRUPOS o familias.

Grupos

Períodos

La mayoría de elementos son metales sólidos, solo 2 elementos son líquidos a temperatura ambiente (el mercurio y el bromo); y solo 11 son gaseosos.

Periodos y grupos Períodos. Las filas horizontales de la Tabla Periódica se denominan periodos. Son 7 periodos, el primero tiene sólo dos elementos, el segundo y tercer periodo tienen ocho elementos, el cuarto y quinto periodo tienen dieciocho, el sexto periodo tiene treinta y dos elementos, y el séptimo no tiene los treinta y dos elementos porque está incompleto. Estos dos últimos periodos tienen catorce elementos separados, para no alargar demasiado la tabla y facilitar su trabajo con ella. Grupos. Las columnas de la tabla reciben el nombre de grupos. Existen dieciocho grupos, los que a su vez se pueden agrupar en cuatro bloques de acuerdo con los orbitales que van llenando: bloque s, bloque p, bloque d y bloque f. Los grupos también se pueden agrupar en dos subgrupos:  Subgrupo A: Elementos REPRESENTATIVOS (bloque s y p)  Subgrupo B: Elementos de TRANSICIÓN (bloque d) y los elementos de TRANSICIÓN INTERNA o tierras raras (bloque f). Sabemos que las configuraciones electrónicas de los elementos químicos permiten explicar satisfactoriamente una buena parte de las propiedades químicas y reactividad de los elementos. Por otro lado, en el caso de los elementos representativos (bloque s y p) sus configuraciones están muy relacionadas con el periodo y grupo a la que pertenece en la Tabla Periódica. Así tenemos que los elementos que se encuentran en el mismo grupo tienen un arreglo electrónico similar en su nivel de valencia y los elementos que se encuentran en el mismo periodo presentan igual cantidad de niveles de energía rodeando el núcleo 6

del átomo. Por lo tanto, las propiedades químicas de los elementos que pertenecen al mismo grupo son muy similares, porque tienen el mismo arreglo electrónico en su nivel de valencia, en cambio las propiedades químicas de los elementos que se encuentran en el mismo periodo son diferentes. Elemento

Número de electrones

Arreglo electrónico de su nivel de valencia

Periodo

Grupo

Litio Sodio Berilio Magnesio Flúor Cloro

3 11 4 12 9 17

2s1 3s1 2s2 3s2 2s2 2p5 3s2 3p5

2 3 2 3 2 3

1A 1A 2A 2A 7A 7A

Podemos observar que el litio y el sodio pertenecen al mismo grupo y sus propiedades químicas son muy similares, mientras que el litio el berilio y el flúor pertenecen al mismo periodo pero sus propiedades químicas son diferentes. Algunos grupos toman nombres especiales. Nombre de algunos grupos de la Tabla Periódica Grupo

Nombre

Elementos

Arreglo electrónico en su nivel de valencia

s1 1A Metales alcalinos Li, Na, K, Rb, Cs, Fr s2 2A Metales alcalino térreos Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra s2 P4 6A Anfígenos O, S, Se s2 P5 7A Halógenos F, Cl, Br, I At s2 P6 8A Gases nobles He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn H3: Describe la forma como se relaciona la configuración electrónica de un elemento con su ubicación en la Tabla Periódica (grupo y periodo) Ejercicio desarrollado 5 Realiza la configuración electrónica del 20Ca y del 38Sr determina el grupo y periodo a la cual pertenecen. ¿Estos elementos tendrán propiedades similares? Solución: (Estrategia: Identifica el nivel de valencia y los electrones de valencia luego relacionalo con su ubicación en la Tabla Periódica: nivel de valencia → periodo; e- valencia → grupo)

Calcio ¿Pertenecen al CE: 20Ca: 1s22s22p63s23p64s2 mismo grupo? Nivel de Valencia: 4 → Periodo: 4 Electrones de Valencia: 2 → Grupo: 2A Estroncio CE: 38Sr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 Nivel de Valencia: 5 → Periodo: 5 Electrones de Valencia: 2 → Grupo: 2A Como el calcio y el estroncio pertenecen al mismo grupo y además ambos son metales, estos elementos deben tener propiedades similares.

¡Ahora tú sólo! ¿El sodio (Z=11) y el azufre (Z=16) tendrán propiedades similares. Justifique su respuesta.



7

2.4

Los grandes grupos de la Tabla Periódica

Los elementos se clasifican en metales, no metales, metaloides y gases nobles.

Las propiedades físicas y químicas de estos grupos se muestran en el siguiente cuadro: Propiedades Generales Metales Buenos conductores de la electricidad, maleables, dúctiles, poseen brillo, normalmente se encuentran en estado sólido (excepto el Hg), altos puntos de fusión, buenos conductores de calor. Normalmente reacciona con ácidos, forman óxidos básicos iónicos, y tienden a formar cationes. No metales Son malos conductores de la electricidad. Normalmente sólidos, líquidos o gases. Bajos puntos de fusión, malos conductores de calor. No reacciona con ácidos, forman óxidos ácidos moleculares y tienden a formar aniones u oxianiones. Metaloides Tienen propiedades intermedias entre metales y no metales. Por ejemplo, el silicio parece un metal pero es quebradizo en lugar de maleable y no conduce el calor y la electricidad tanto como un metal. Varios no metales son semiconductores por lo que son usados en la fabricación de circuitos integrados y chips para computadora. Son 6: B, Si, Ge, As, Sb y Te Gases nobles Los gases nobles bajo condiciones normales, son gases monoatómicos inodoros, incoloros y presentan una alta estabilidad química (poca capacidad para reaccionar o combinarse). La mayoría de los átomos tienden a asemejarse a los gases nobles, por ello a través del enlace químico, ganarán, perderán o compartirán electrones para completar ocho electrones en su último nivel energético, esto se conoce como la Regla del Octeto que mencionaremos al desarrollar el enlace químico. En resumen, la Tabla Periódica es sumamente útil para conocer algunas propiedades de los elementos. Incluso si nunca hubiera escuchado hablar del osmio (76Os), se puede buscar en la tabla periódica y se puede deducir que es un metal, pues está ubicado en la zona de los metales de transición y posee todas las propiedades que poseen los metales.

8

2.5

Propiedades periódicas

La Tabla periódica moderna puede usarse para predecir una amplia variedad de propiedades, muchas de las cuales son cruciales para comprender la química. Dentro de las propiedades que varían periódicamente al recorrer la tabla en los períodos y columnas, tenemos: Tamaño atómico (Radio atómico) Debido a la naturaleza difusa de la nube electrónica que rodea al núcleo, la estimación del tamaño de los átomos resulta ser muy complicado. Esta situación ha llevado a los químicos a proponer varias definiciones del radio atómico. Entre otras definiciones tenemos:  El radio atómico de no enlace, que representa la distancia que existe entre el núcleo y la capa más externa  El radio atómico de enlace, es obtenido en base a las distancias que separan a los núcleos de los átomos cuando están unidos químicamente. Esa distancia, es más corta que el radio de no enlace, como se ilustra en la figura mostrada. Esta distancia se mide en picómetros Pero, ¿en qué sentido aumenta o disminuye el tamaño atómico en los grupos? Las tendencias en el tamaño atómico se pueden resumir así:  En los períodos el tamaño atómico aumenta de derecha a izquierda ( ).  En los grupos el tamaño atómico aumenta de arriba hacia abajo (  ).

Carácter metálico: Es la tendencia que tiene un átomo para ceder sus electrones de valencia formando iones positivos. Este proceso se le denomina oxidación. Las tendencias en la Tabla Periódica:  En los períodos el carácter metálico aumenta derecha a izquierda (¬ ).  En los grupos el carácter metálico aumenta de arriba hacia abajo (  ). Se puede observar que los elementos de los grupos 1A y 2A son los grupos de mayor carácter metálico, por esta razón a los elementos del grupo 1A se les llama metales alcalinos y los elementos del grupo 2A se les llame metales alcalino-térreos.

Energía de Ionización (EI) Es la energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo gaseoso, aislado y en estado fundamental. Los electrones se encuentran atraídos por el núcleo y es necesario aportar energía para arrancarlos. Siempre se pierden los electrones de la última capa, que son los más débilmente atraídos por el núcleo. Las tendencias en la Tabla Periódica:  En los períodos la energía de ionización aumenta de izquierda a derecha ( ).  En los grupos la energía de ionización aumenta de abajo hacia arriba ().

Electronegatividad

9

Es la capacidad que tiene un átomo para atraer hacia el los electrones de un enlace químico. En la escala de Pauling el mayor valor relativo de electronegatividad es 4. Dichos valores no tienen unidades.  En los períodos la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha ( ).  En los grupos la electronegatividad aumenta de abajo hacia arriba (). H5: Utiliza la Tabla Periódica como instrumento para describir las principales propiedades de los elementos químicos de importancia en ingeniería. Ejercicio resuelto 6: Indica si los siguientes enunciados acerca del magnesio son verdaderos (V) o falsos(F) Solución: (Estrategia: recuerda las tendencias en las propiedades de los elementos ubicados en la tabla periódica)

( ) El magnesio es un elemento metálico representativo ( ) El magnesio se oxida con más facilidad que el bario ( ) El tamaño del átomo del magnesio es mayor que la del aluminio ( ) El magnesio es más electronegativo que el cloro ( ) El magnesio es maleable, dúctil y mal conductor de la corriente eléctrica ( ) El calcio tiene propiedades químicas similares al magnesio Respuesta ( V-F-V-F-F-V)

¡Ahora tú sólo! Haciendo uso de tu Tabla Periódica complete los siguientes enunciados: 1. Entre el litio, azufre, oxígeno y carbono el elemento más electronegativo es el _______________. 2. Entre el potasio, bromo y calcio el elemento que tiene mayor energía de ionización es _______ 3. Entre el potasio, rubidio y cesio el elemento que tiene mayor carácter metálico es __________ 4. Entre el cloro, azufre y hierro el elemento que tiene alta dureza y presenta brillo es ___________.

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