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TODAS LAS SOLUCIONES...

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2 Ordenación periódica de los elementos ACTIVIDADES 1.

Clasifica, según Berzelius, los siguientes elementos: cobre, oxígeno, plata, helio, nitrógeno, litio y calcio. Metales: cobre, plata, litio y calcio. No metales: oxígeno, helio y nitrógeno.

2.

Los siguientes elementos forman tríadas de Döbereiner. Sabiendo que sus masas atómicas son las que aparecen entre paréntesis, construye las tríadas correspondientes. a) yodo (127) – cloro (26) – bromo (80) b) selenio (79) – azufre (32) – teluro (128) Sabiendo que en las tríadas la masa del elemento central es aproximadamente igual a la media aritmética de las masas de los elementos que posee a ambos lados: a) cloro – bromo – yodo b) azufre – selenio – teluro

3.

El cloro es un elemento que se encuentra en la tabla periódica debajo del flúor. Su nombre proviene del griego cloros, que significa amarillo verdoso, color del elemento en estado gaseoso. Fijándote en la tabla periódica, ¿sabrías decir si para el cloro se cumple la ley de las octavas de Newlands? Sí, ya que desde el flúor al cloro hay ocho elementos. Sin embargo, el siguiente elemento con propiedades parecidas al cloro es el bromo. Asignando al cloro el número 1, el bromo sería el 18 y no el 8, por lo que ya no se cumpliría la ley de las octavas. Esto se debe a la existencia de los metales de transición.

4.

¿A qué se deben las irregularidades en las tablas periódicas de Meyer y Mendeléiev? Las irregularidades en las tablas de L. Meyer y D. I. Mendeleiev se deben a que ordenaron los elementos químicos de acuerdo a su masa atómica creciente y no a su número atómico. Las propiedades de los elementos son función periódica de sus números atómicos.

5.

En 1871, Mendeléiev predijo la existencia de un nuevo elemento al que denominó eka-aluminio. Busca información sobre las propiedades predichas por Mendeléiev y las obtenidas experimentalmente por su descubridor, Lecoq. Es el galio.

6.

Justifica, con algún ejemplo, la falsedad de la siguiente afirmación: “En la clasificación periódica de Mendeléiev, los elementos se colocan por masas atómicas crecientes”. Es falso, ya que Mendeléiev, además de colocar los elementos por masas atómicas crecientes, tiene en cuenta sus propiedades, lo que le llevó a invertir las posiciones de algunos elementos, como el cobalto y el níquel.

7.

Basándote en el código de colores de la tabla periódica de la figura 2.4, justifica por qué la clasificación de Berzelius no es práctica. No es útil porque el número de elementos metálicos es muy elevado.

8.

Sitúa en la tabla periódica los elementos: flúor, cesio, galio, magnesio, bromo, potasio, cloro y fósforo. Haz una lista con todos los que pertenecen al mismo período y otra con los que pertenecen al mismo grupo. Pertenecen al mismo período: magnesio, cloro y fósforo (tercer período), y bromo, galio y potasio (cuarto). Pertenecen al mismo grupo: flúor, cloro y bromo (halógenos), y potasio y cesio (alcalinos).

32 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos

9.

¿Cuál es el número de electrones de valencia para los elementos magnesio y oxígeno? 2

El magnesio pertenece al grupo de los alcalinotérreos, por lo que su configuración electrónica externa es ns . Siendo estos dos electrones los de valencia. El oxígeno pertenece al grupo de los anfígenos (ns2 np4), por lo que posee seis electrones de valencia. 10. Razona la veracidad de la siguiente afirmación: “La configuración electrónica del argón es 1s2 2s2 2p6 3s2 6 3p , lo que indica que no posee electrones libres; es decir, tiene 0 electrones de valencia”. Falso. Los electrones de valencia son los de la última capa, en este caso n = 3. Existen, por tanto, ocho electrones de valencia. 2

2

6

2

6

11. Indica razonadamente qué elemento posee la siguiente configuración electrónica: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d10 4p4. ¿A qué grupo de la tabla periódica pertenece?

2

Pertenece al cuarto período y al grupo de los anfígenos; es el selenio. 1

12. La capa de valencia de un elemento es del tipo ns . No es un elemento metálico y es el más ligero que existe. ¿De qué elemento se trata? Se trata del hidrógeno. 13. Dados los elementos Na, C, Si y Ne, ordénalos en orden creciente de radio atómico. Justifica esa ordenación. Los átomos de Ne y C son más pequeños que los de Si y Na, ya que los primeros pertenecen al segundo período, y los otros, al tercero. Además, el tamaño disminuye con el aumento de la carga nuclear. Ne < C < Si < Na

14. Ordena los elementos F, Ca, Rb, Sr y Cr por orden creciente de radio atómico. El radio atómico aumenta al movernos en la tabla periódica hacia abajo y hacia la izquierda. Así: F < Cr < Ca < Sr < Rb

15. Ordena de mayor a menor los radios de: cloro atómico, ion cloruro e ion cloro(3+). Justifica tu respuesta. Dato: Z (Cl) = 17 Al ser iones del mismo elemento, su número atómico, o lo que es igual, su carga nuclear, no varía. Con esta premisa, cuanto menor sea el número de electrones, con más fuerza serán atraídos los que quedan y, por tanto, menor será el tamaño de la especie química. Cl3+ < Cl < Cl−

16. Dos elementos A y B poseen de número atómico 17 y 22, respectivamente. Basándote en su configuración electrónica: a) Identifica los elementos. b) ¿Qué carga debe adquirir cada uno para que el ion formado sea isoelectrónico con el gas noble intermedio? c) ¿Cuál tiene mayor radio iónico? a) Al ser átomos neutros, el número de electrones coincide con el número atómico. Así, A posee 17 electrones, siendo su configuración electrónica: [Ne] 3s2 3p5. Es el halógeno del tercer período, Cl. 2

2

B posee 22 electrones, [Ar] 4s 3d es el segundo de los metales de transición del cuarto período, Ti. b) El gas noble al que se hace referencia es el argón. Para conseguir el cloro la configuración del mismo, debe ganar un electrón, mientras que el titanio debe perder 4. Cl−: [Ne] 3s2 3p6 = [Ar] 4+

Ti : [Ar] c) Ambos iones son especies isoelectrónicas, pero la carga nuclear del titanio es mayor que la del cloro; por ello el radio del ion titanio(4+) es menor que el del ion cloruro.

Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 33

17. La primera energía de ionización del azufre es menor que la del fósforo. Basándote en sus configuraciones electrónicas, razona este hecho. Ambos elementos pertenecen al tercer período. El azufre es un anfígeno, y el fósforo, un nitrogenoideo. Sus configuraciones electrónicas son: P (Z = 15): [Ne] 3s2 3p3 y S (Z = 16): [Ne] 3s2 3p4 El S está a la derecha del P, por lo que su energía de ionización debería ser mayor; pero el P tiene el subnivel p semilleno, lo que le proporciona una cierta estabilidad, similar a la que alcanzaría el azufre si perdiera el cuarto electrón del subnivel 3p. Por ello, la primera energía de ionización del azufre es menor que la del fósforo. 1

18. Justifica por qué la I1 del litio es menor que la del berilio (520 y 900 kJ mol– , respectivamente); mientras que en las segundas energías de ionización el orden es inverso (7298 y 1757 kJ mol–1). La pérdida de un electrón del litio proporciona a éste la configuración electrónica del helio lo que hace que la + especie Li sea muy estable, y por ello, la primera energía de ionización pequeña. Esto mismo le pasa al berilio cuando pierde su segundo electrón formando el Be2+, por lo que la I2 del mismo es baja. Mientras que “arrancar” el segundo electrón al litio hace que se pierda la configuración del gas noble; de ahí que se requiera gran energía (I2 elevada).

19. Clasifica los elementos Br, K, Se y Cl por afinidades electrónicas crecientes. La afinidad electrónica aumenta al movernos hacia la derecha y hacia arriba en la tabla periódica; por ello las afinidades electrónicas varían: K < Se < Br < Cl

20. Discute la veracidad de la siguiente afirmación: “El cloro tiene mayor electroafinidad que el calcio”. Verdadero, si consideramos la electroafinidad o afinidad electrónica en valor absoluto. El cloro es un no metal, concretamente un halógeno, y presenta una mayor tendencia a coger electrones que el calcio, que es un metal.

21. La afinidad electrónica del yodo es – 295 kJ mol−1. Calcula la energía liberada al ionizar 253,8 g de átomos de yodo, que se encuentran en estado fundamental. Dato: masa atómica del I: 126,9 g mol−1 I(g) + e− → I−(g)

E =n A =

-1

A1 = − 295 kJ mol

 253,8 g  ( −295 kJmol −1) =  ( −295 kJmol −1) = −590 kJ −1  matómica  126,9 gmol  m

22. Teniendo en cuenta solamente su posición en la tabla periódica, ordena los elementos F, Ca, Cs y As por orden creciente de electronegatividad. La electronegatividad aumenta al movernos en el sistema periódico hacia arriba y hacia la derecha. Cs – Ca – As – F

23. Cuanto mayor sea la electronegatividad de un elemento, más fácil es que forme un ion. ¿De qué tipo? Formará aniones, que son iones con carga negativa.

24. Se tienen dos elementos, de configuraciones electrónicas: [Ar] 4s2 2

[Ne] 3s 3p

5

¿Sabrías decir cuál es más electronegativo? Justifica la respuesta. Por sus configuraciones electrónicas externas, sabemos que el primero es el calcio (metal alcalinotérreo), y el segundo, el cloro (halógeno). El más electronegativo es este último.

34 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos

25. De los siguientes elementos: litio, potasio, magnesio, cobre o hierro, ¿cuál posee mayor carácter metálico? El carácter metálico aumenta al movernos hacia abajo y hacia la izquierda; por lo que conocidas las posiciones de todos los elementos en la tabla periódica, el que posee mayor carácter metálico es el potasio.

26. El elemento de Z = 20 se combina fácilmente con otro de Z = 17. Basándote en sus configuraciones electrónicas, justifica el tipo de sustancia que se formará. Z = 20, [Ar] 4s2, es el alcalinotérreo del cuarto período: Ca. 2

5

Z = 17, [Ne] 3s 3p , es el halógeno del tercer período: Cl. El primero es un metal, y el segundo, un no metal. Dada su diferencia de electronegatividad, se formará un enlace iónico, proporcionando cloruro de calcio (CaCl2).

27. Cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre dos átomos que se unen, mayor será el carácter iónico de la sustancia formada. Basándote en las configuraciones electrónicas siguientes: A: 1s2 2s2 2p6; B: 1s2 2s2 2p5; C: 1s2 2s2 2p6 3s1; D: 1s2 2s2 2p4 a) ¿Cuáles son metales y cuáles no lo son? b) Señala dos elementos que den una sustancia iónica, justificando tu respuesta. c) De todas las especies químicas dadas, ¿cuál es la que posee mayor poder oxidante? a) Son no metales: A (gas noble), B (halógeno) y D (anfígeno). El único metal es C (alcalino). b) Se obtiene una sustancia iónica al unirse dos elementos de electronegatividades muy diferentes (un metal y un no metal). Por ejemplo, al unirse B y C. B es el flúor, y C, el sodio: NaF. c) El poder oxidante aumenta al movernos hacia la derecha y hacia arriba, por ello la de mayor poder oxidante es la especie B (flúor).

Desarrollo histórico de la tabla periódica 28. Berzelius sustituyó los símbolos de Dalton por una notación química en la que el elemento se representaba con la primera o las dos primeras letras de su nombre en latín, según se observa en el dibujo. ¿Qué ventajas crees que supuso esto?

Se simplificó notablemente la forma de representar las sustancias y con una lógica mayor que la de los dibujos. Es suficiente con pensar en la representación, por ejemplo, de la molécula agua: H2O, mientras que empleando los dibujos de los átomos de Dalton debería ser:

Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 35

29. Observa las siguientes fotografías e indica, razonadamente, si se trata de un metal o de un no metal, según cada caso. a)

b)

c)

d)

El primero y el segundo son metales, ya que poseen el brillo característico de este tipo de elementos. La ausencia del mismo en el tercero y el cuarto demuestra que estos son no metales.

30. Hasta hace relativamente poco, todos los termómetros empleaban como líquido termométrico, el mercurio. ¿Podrías explicar por qué se emplea un metal para tal fin? Sin embargo, en la actualidad, debido a su elevada toxicidad, se ha sustituido por galio en los termómetros de alta temperatura, como son los que tenemos en nuestras casas. ¿Por qué solamente para los de alta temperatura? El uso de los metales se debe a que estos elementos alcanzan rápidamente el equilibrio térmico, además de sufrir dilatación térmica. Al aumentar el volumen con la temperatura, el mercurio, metal líquido, asciende por el tubo. Se hace corresponder ese aumento de volumen con un valor de la temperatura calibrando así el termómetro. El uso del galio para termómetros a alta temperatura se debe a que este elemento posee una temperatura de fusión de 29,78 ºC, permaneciendo en estado sólido por debajo de esta.

31. En 1871, Mendeléiev sugirió que debería haber un elemento entre el torio y el uranio. En efecto, existe ese elemento. Investiga sobre su historia; ¿en qué sentido la predicción de Mendeléiev estaba equivocada? ¿Persiste esta anomalía en la ordenación de Moseley? Se trata del protactinio. La masa de este elemento es menor que la del torio, por lo que debería aparecer antes que este; sin embargo, su número atómico, que es una unidad mayor, indica que debe ir después de dicho elemento. Por tanto, en la ordenación de Moseley ya no persiste la anomalía al colocarse los elementos por Z crecientes.

32. Razona con un ejemplo que avale tu respuesta, la veracidad de la siguiente afirmación: “Si el elemento cabecera de un grupo es un no metal, todos los demás elementos del mismo grupo también serán no metales”. Falso. Por ejemplo, en el grupo de los carbonoideos, el carbono, primer elemento, es no metal, mientras que el estaño y el plomo son metales.

33. Clasifica los siguientes elementos en metales, no metales o semimetales. a) Elemento situado en el grupo 8. b) Su símbolo es Pb. c) Superficie sin lustre. d) Conduce la electricidad solamente bajo ciertas condiciones. a) Es un metal, concretamente de transición. b) Es metal, el plomo. c) Es no metal, ya que no posee el brillo característico de los metales llamado lustre. d) Es un semimetal.

36 Unidad 2| Ordenación periódica de los elementos

Configuración electrónica y periodicidad 34. Considera los elementos H (Z = 1), O (Z = 8) y F (Z = 9). Escribe sus configuraciones electrónicas e indica el grupo y período al que pertenece cada uno de ellos. 1

1

H: 1s ; pertenece al primer período (n = 1) y al grupo de los alcalinos (ns ), aunque la posición del hidrógeno es un problema. O: [He] 2s2 2p4; pertenece al segundo período (n = 2) y al grupo de los anfígenos (ns2 np4). F: [He] 2s2 2p5; pertenece al segundo período (n = 2) y al grupo de los halógenos (ns2 np5).

35. Se tienen cinco elementos: A (Z = 13), B (Z = 30), C (Z = 3), D (Z = 19) y E (Z = 37). Justifica razonadamente cuáles pertenecen al mismo grupo. Basándote en su configuración electrónica externa, se deduce el grupo y período al que pertenece. Al ser átomos neutros, el número atómico coincide con el número de electrones. Así: 2

1

2

1

A: [Ne] 3s 3p ; pertenece al grupo de los térreos (ns np ). 2

10

1→10

B: [Ar] 4s 3d ; pertenece al grupo de los metales de transición ((n - 1) d 1

).

1

C: [He] 2s ; pertenece al grupo de los alcalinos (ns ). D: [Ar] 4s1; pertenece al grupo de los alcalinos (ns1). E: [Kr] 5s1; pertenece al grupo de los alcalinos (ns1). Por tanto, pertenecen al mismo grupo: C, D y E.

36. Basándote en la posición del cuarto elemento alcalinotérreo: a) Establece su configuración electrónica. b) Razona el valor de su número atómico. c) Su ion dipositivo, posee la misma configuración electrónica que el argón. ¿De qué elemento se trata? 2

2

2

6

a) Al ser el cuarto elemento alcalinotérreo, n es igual a 4 y su capa de valencia es ns . Por tanto, 1s 2s 2p 3s 3p6 4s2.

2

b) Al ser un elemento, se trata de un átomo neutro, por lo que el número de electrones (suma de los superíndices de la configuración electrónica) coincide con el número de protones y, por tanto, con el número atómico (Z). Z = 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 = 20. c) El elemento es el calcio.

37. Durante un invierno especialmente frío en San Petersburgo, los tubos del órgano de la catedral, hechos de estaño, se “deshicieron”. Esto se debe a que el estaño blanco (forma corriente del mismo), a bajas temperaturas, se transforma en estaño gris, que presenta la característica de ser quebradizo. Si en algún punto se forma estaño gris, este actúa como germen propagándose; de ahí que se le llame peste del estaño. a) Justifica el período y grupo al que pertenece (Z = 50). b) ¿Son estables los iones Sn

2+

4+

y Sn ? ¿Por qué?

a) Al ser un átomo neutro, Z coincide con el número de electrones. Siguiendo el diagrama de Möller se obtiene la siguiente configuración electrónica: Sn: [Kr] 5s2 4d10 5p2. Pertenece, por tanto, al quinto período (n = 5) y al 2 2 grupo de los carbonoideos (ns np ). b) Sí son estables ambos iones, ya que en sus configuraciones electrónicas todos los subniveles están completos. 2+

2

10

4+

10

Sn : [Kr] 5s 4d y Sn : [Kr] 4d

38. El potasio interviene en la transmisión del impulso nervioso (bomba sodio-potasio). Fíjate en su masa atómica y en la del argón, y según esta propiedad, ¿cómo deberían estar colocados ambos elementos? ¿Por qué crees que se invierten sus posiciones? La masa atómica del potasio es menor que la del argón, por lo que debería estar antes el potasio. Sus posiciones se invierten porque, si no estos elementos no tendrían propiedades comunes con los del resto del grupo.

Ordenación periódica de los elementos | Unidad 2 37

Tendencias periódicas en el tamaño atómico e iónico 39. El radio atómico del fósforo es 0,11 nm. ¿Cómo crees que será el del átomo de cloro, mayor o menor? Será menor, ya que los dos electrones de diferencia entran en el mismo nivel energético (n = 3) y la carga nuclear del cloro es mayor que la del fósforo. El radio atómico disminuye al movernos hacia la derecha en un período.

40. Escribe la configuración electrónica del ion mercurio(2+). ¿Coincide con la de un átomo cuyo número atómico sea dos unidades inferior al mercurio? ¿Por qué? Sabiendo que el mercurio pertenece al grupo 12 y al sexto período, su configuración electrónica es Hg: [Xe] 6s2 4f14 5d10. En el ion mercurio(2+) se pierden los electrones de valencia, que son los del subnivel 6s; siendo su configuración electrónica Hg2+: [Xe] 4f14 5d10. Esta configuración no coincide con la del elemento dos unidades inferior de número atómico (Pt), porque en este los dos electrones que los diferencian son los del subnivel 5d. 2

14

8

Pt: [Xe] 6s 4f 5d

41. Los iones S −, Cl−, K y Ca 2−

+

2+

tienen cada uno 18 electrones.

a) Sitúalos en el sistema periódico. b) Indica cuántos protones posee cada uno. c) Razona cuál tiene mayor y cuál menor radio iónico. d) Deduce cuál de los átomos correspondientes (S, Cl, K y Ca) tiene el mayor radio atómico. a) El azufre es el segundo de los anfígenos (tercer período, grupo 16); el cloro, el segundo de los halógenos (tercer período, grupo 17); el potasio es el cuarto alcalino contando con el hidrógeno (cuarto período, grupo 1), y el calcio, el tercer alcalinotérreo (cuarto período, grupo 2). b) Sabiendo que en el sistema periódico ...