Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12

23Las capas electrónicas y la tabla periódica

El neón brilla con un color rojo anaranjado en un letrero; el sodio, un metal blando, se inflama en el agua; el cloro es un gas amarillo verdoso y asfixiante. Sin embargo, sus átomos solo se diferencian en uno o dos protones: el neón tiene 10, el sodio 11 y el cloro 17. ¿Por qué unos vecinos de la tabla periódica se comportan de forma tan distinta, mientras que el sodio y el potasio, alejados en número atómico, se comportan de forma tan parecida? La respuesta está en cómo se disponen los electrones de un átomo.

Lo que ya sabes

Un átomo tiene $Z$ protones en su núcleo y, si es neutro, $Z$ electrones a su alrededor (Capítulo 16). La tabla periódica ordena los elementos según $Z$ en periodos (filas) y grupos (columnas); los elementos de un grupo se comportan igual (Capítulo 20). Los átomos ganan o pierden electrones y se convierten en iones (Capítulo 17).

23.1 La configuración electrónica

Definición 23.1 (Capas, subcapas y configuración electrónica)

Los electrones de un átomo se disponen en capas, numeradas $n = 1, 2, 3, \ldots$ del núcleo hacia fuera; cuanto mayor es $n$ , más lejos del núcleo están los electrones y menos fuertemente retenidos. Cada capa se divide en subcapas designadas por una letra: la capa 1 tiene una subcapa s (1s), la capa 2 una subcapa s y una p (2s, 2p), la capa 3 tiene 3s y 3p (y 3d, que se verá más adelante). Una subcapa s admite como mucho 2 electrones, y una subcapa p, como mucho 6. La configuración electrónica de un átomo enumera sus subcapas ocupadas con su número de electrones como exponente: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ para el oxígeno.

Método 23.2 (Escribir una configuración electrónica, hasta $Z = 20$ )

Contar los electrones: $Z$ para un átomo neutro.
Llenar las subcapas en este orden, cada una hasta su máximo antes de empezar la siguiente:

$1\mathrm{s} \to 2\mathrm{s} \to 2\mathrm{p} \to 3\mathrm{s} \to 3\mathrm{p} \to 4\mathrm{s}.$
Comprobar que los exponentes suman el número de electrones.

Sodio, $Z = 11$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^1$ . Cloro, $Z = 17$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ . Calcio, $Z = 20$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6\,4\mathrm{s}^2$ .

El orden de llenado, hasta Z = 20. Cada casilla es un sitio para un electrón: una subcapa s tiene 2 sitios, y una subcapa p, 6. — El orden de llenado, hasta $Z = 20$ . Cada casilla es un sitio para un electrón: una subcapa s tiene 2 sitios, y una subcapa p, 6.

23.2 Los electrones de valencia

Definición 23.3 (Electrones de valencia y electrones internos)

Los electrones de la capa ocupada más externa (la capa de mayor $n$ ) son los electrones de valencia; los demás son los electrones internos. Solo los electrones de valencia intervienen en las reacciones químicas.

Ejemplo 23.4 (Contar los electrones de valencia)

Oxígeno, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ : capa externa $n = 2$ , $2 + 4 = 6$ electrones de valencia. Sodio, $\ldots 3\mathrm{s}^1$ : 1 electrón de valencia. Cloro, $\ldots 3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ : 7. Neón, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ : 8, una capa completa.

23.3 La tabla reconstruida a partir de las configuraciones

Proposición 23.5 (Periodo y grupo a partir de la configuración)

Para los elementos hasta $Z = 20$ :

el periodo de un elemento es el número $n$ de su capa externa;
los elementos de un mismo grupo tienen el mismo número de electrones de valencia: uno en el grupo 1, dos en el grupo 2, de tres a ocho en los grupos 13 a 18 (el helio, con 2, es una excepción).

Las dos columnas de la izquierda, donde los últimos electrones entran en una subcapa s, forman el bloque s; los grupos 13 a 18 forman el bloque p.

Los veinte primeros elementos, con el número de electrones de cada capa debajo del símbolo (2.8.1 para el sodio: 2 en la capa 1, 8 en la capa 2 y 1 en la capa 3). Los colores marcan los bloques s y p. — Los veinte primeros elementos, con el número de electrones de cada capa debajo del símbolo ( $2.8.1$ para el sodio: 2 en la capa 1, 8 en la capa 2 y 1 en la capa 3). Los colores marcan los bloques s y p.

23.4 Las familias

Definición 23.6 (Familias químicas)

Una familia química es un grupo de la tabla periódica cuyos elementos comparten sus principales propiedades químicas. Se nombran tres familias: los metales alcalinos (el grupo 1 salvo el hidrógeno: litio, sodio, potasio…), metales blandos que reaccionan con fuerza con el agua; los halógenos (grupo 17: flúor, cloro, bromo, yodo), no metales de color y reactivos; y los gases nobles (grupo 18: helio, neón, argón…), que casi no reaccionan con nada.

Proposición 23.7 (Por qué una familia se comporta igual)

Los elementos de una familia tienen el mismo número de electrones de valencia, y la química es cosa de los electrones de valencia: el litio, el sodio y el potasio tienen uno; los halógenos, siete; los gases nobles, una capa externa completa.

Familias de la tabla periódica: metales alcalinos, metales alcalinotérreos (grupo 2), halógenos y gases nobles.

El sodio, un metal alcalino, cortado con un cuchillo: blando y plateado cuando está recién cortado, se empaña enseguida al aire. Foto: Dnn87, CC BY-SA 3.0.

En el laboratorio — Sodio en agua

Detrás de una pantalla, el profesor echa un trozo de sodio del tamaño de un grano de arroz en un barreño grande de agua. Flota, se funde en una bolita brillante y corre de un lado a otro, burbujeando, hasta que desaparece; el gas que se desprende es hidrógeno, y el agua que queda es básica.

Seguridad

Sodio: con el agua desprende hidrógeno inflamable (GHS02), provoca quemaduras graves (GHS05). Cloro: un gas comburente (GHS03), tóxico en caso de inhalación (GHS06), además de irritante y muy tóxico para los organismos acuáticos. Los dos los manipula solo el profesor.

23.5 Los iones estables y la regla de los gases nobles

Definición 23.8 (Reglas del dúo y del octeto)

Los gases nobles, con una capa externa completa, casi no reaccionan: su configuración es especialmente estable. Cuando los átomos de los primeros elementos forman iones, ganan o pierden electrones para alcanzar la configuración del gas noble más cercano: dos electrones en la capa 1, como el helio, para los átomos más ligeros (la regla del dúo), y ocho electrones en la capa externa, como el neón o el argón, para los demás (la regla del octeto).

Ejemplo 23.9 (Iones que predice la regla)

El sodio, $2.8.1$ , pierde su único electrón de valencia: $\ce{Na+}$ , $2.8$ , como el neón. El magnesio, $2.8.2$ , pierde dos: $\ce{Mg^{2+}}$ . El aluminio, $2.8.3$ , pierde tres: $\ce{Al^{3+}}$ . El cloro, $2.8.7$ , gana uno: $\ce{Cl-}$ , $2.8.8$ , como el argón. El oxígeno, $2.6$ , gana dos: $\ce{O^{2-}}$ . El azufre, $2.8.6$ : $\ce{S^{2-}}$ . El litio, $2.1$ , pierde uno y se queda con $2$ , como el helio: $\ce{Li+}$ .

El ion sodio tiene la configuración del neón, el gas noble más cercano.

Observación 23.10 (Límites de la regla)

La regla funciona bien para los veinte primeros elementos y sus iones sencillos. Muchos elementos, como el hierro ( $\ce{Fe^{2+}}$ y $\ce{Fe^{3+}}$ ), no la cumplen; las razones, y una descripción mejor de los electrones, se dan en el volumen del primer año universitario.

23.6 Ejercicios

Ejercicio 23.1 ★

Escribe las configuraciones electrónicas del carbono ( $Z = 6$ ), el nitrógeno ( $Z = 7$ ) y el magnesio ( $Z = 12$ ).

Solución

Solución de Ejercicio 23.1.

C: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^2$ . N: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^3$ . Mg: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ .

Ejercicio 23.2 ★

¿Cuántos electrones de valencia tienen el carbono, el nitrógeno y el magnesio?

Solución

Solución de Ejercicio 23.2.

Carbono 4, nitrógeno 5, magnesio 2.

Ejercicio 23.3 ★

¿En qué periodo y en qué grupo está el elemento de configuración $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3$ ?

Solución

Solución de Ejercicio 23.3.

Capa externa $n = 3$ : periodo 3. $2 + 3 = 5$ electrones de valencia: grupo 15 (fósforo).

Ejercicio 23.4 ★

Nombra las tres familias de este capítulo y da dos elementos de cada una.

Solución

Solución de Ejercicio 23.4.

Metales alcalinos (litio, sodio, potasio); halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo); gases nobles (helio, neón, argón).

Ejercicio 23.5 ★

Enuncia la regla del octeto.

Solución

Solución de Ejercicio 23.5.

Los átomos tienden a ganar o perder electrones para tener ocho electrones en su capa externa, como el gas noble más cercano.

Ejercicio 23.6 ★★

Con la regla de los gases nobles, da el ion que forma el potasio ( $Z = 19$ ) y el que forma el flúor ( $Z = 9$ ), con sus configuraciones.

Solución

Solución de Ejercicio 23.6.

K, $2.8.8.1$ , pierde uno: $\ce{K+}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6$ (argón). F, $2.7$ , gana uno: $\ce{F-}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ (neón).

Ejercicio 23.7 ★★

Un elemento tiene 2 electrones en su tercera capa, y la tercera capa es su capa externa. Da su configuración, su número atómico y su nombre.

Solución

Solución de Ejercicio 23.7.

$1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ : $Z = 12$ , magnesio.

Ejercicio 23.8 ★★

Con los iones estables, escribe la fórmula del compuesto iónico formado por el magnesio y el cloro, y después la del formado por el aluminio y el oxígeno.

Solución

Solución de Ejercicio 23.8.

$\ce{Mg^{2+}}$ y $\ce{Cl-}$ : $\ce{MgCl2}$ . $\ce{Al^{3+}}$ y $\ce{O^{2-}}$ : $\ce{Al2O3}$ .

Ejercicio 23.9 ★★

Mira la tabla de los veinte primeros elementos. ¿Qué elementos tienen el mismo número de electrones de valencia que el oxígeno?

Solución

Solución de Ejercicio 23.9.

El azufre (6 electrones de valencia, $2.8.6$ ), del mismo grupo, el 16.

Ejercicio 23.10 ★★

¿Por qué el neón, a diferencia del sodio y del cloro, no forma iones en las reacciones químicas?

Solución

Solución de Ejercicio 23.10.

Su capa externa ya está completa (ocho electrones): no gana nada perdiendo o ganando electrones.

Ejercicio 23.11 ★★

El ion $\ce{X^{2+}}$ tiene la configuración del argón. Halla $X$ .

Solución

Solución de Ejercicio 23.11.

El argón tiene 18 electrones; $\ce{X^{2+}}$ ha perdido 2, así que X tiene 20: el calcio.

Ejercicio 23.12 ★★★

El helio tiene 2 electrones de valencia, pero está en el grupo 18 y no en el grupo 2. Explícalo con su configuración.

Solución

Solución de Ejercicio 23.12.

El helio, $1\mathrm{s}^2$ , tiene una capa externa completa (la capa 1 solo admite dos electrones), como los demás gases nobles; no se comporta como los metales del grupo 2.

Ejercicio 23.13 ★★★

El potasio reacciona con el agua todavía más violentamente que el sodio. A partir de la distancia del electrón de valencia al núcleo, propón una explicación.

Solución

Solución de Ejercicio 23.13.

Su electrón de valencia está en la capa 4, más lejos del núcleo que el del sodio, en la capa 3: está menos fuertemente retenido y se pierde con más facilidad.

Ejercicio 23.14 ★★★

Da las configuraciones de $\ce{S^{2-}}$ , $\ce{Cl-}$ , $\ce{K+}$ y $\ce{Ca^{2+}}$ . ¿Qué tienen en común?

Solución

Solución de Ejercicio 23.14.

Los cuatro tienen 18 electrones y la configuración del argón:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6.

Ejercicio 23.15 ★★★

Un elemento del periodo 3 forma el ion $\ce{Y^{3-}}$ . Halla su grupo, su configuración y su nombre.

Solución

Solución de Ejercicio 23.15.

Gana 3 electrones para completar el octeto: tiene 5 electrones de valencia, grupo 15. En el periodo 3, es el fósforo:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3.

23.7 Problema: Rubí, zafiro y corindón

Problema 23.1

Problema de fin de semana — los electrones que hay detrás de una piedra preciosa: de dos configuraciones al número de electrones transferidos en un gramo

Los rubíes y los zafiros son variedades preciosas del corindón, un compuesto iónico de aluminio y oxígeno; una traza de otros metales les da su color. El corindón es tan duro que raya casi cualquier cosa, y el corindón en polvo se usa para pulir lentes. Toma como masa de un nucleón $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ ; el aluminio 27 tiene 27 nucleones, y el oxígeno 16, 16.

Parte I — Los átomos.

Da el número de protones y de electrones de un átomo de aluminio ( $Z = 13$ ) y de un átomo de oxígeno ( $Z = 8$ ).
Escribe sus configuraciones electrónicas.
¿Cuántos electrones de valencia tiene cada uno? ¿En qué periodo y en qué grupo está cada uno?
¿El aluminio es un metal o un no metal? ¿Y el oxígeno?

Parte II — Los iones.

Con la regla del octeto, ¿qué ion forma el aluminio? Escribe su configuración.
¿Qué ion forma el oxígeno? Escribe su configuración.
¿Qué gas noble tiene la misma configuración que los dos iones?
¿Cuántos electrones pierde un átomo de aluminio, y cuántos gana un átomo de oxígeno?

Parte III — La fórmula.

Halla la fórmula del corindón, el compuesto neutro de estos iones.
En una unidad fórmula, ¿cuántos electrones pierden los átomos de aluminio? ¿Cuántos ganan los átomos de oxígeno?
¿Por qué deben ser iguales estos dos números?
Un rubí contiene una traza de iones cromo $\ce{Cr^{3+}}$ en lugar de algunos $\ce{Al^{3+}}$ . ¿Por qué un ion $\ce{Cr^{3+}}$ puede ocupar el lugar de un ion $\ce{Al^{3+}}$ sin alterar las cargas?

Parte IV — Un gramo de corindón.

¿Cuántos nucleones hay en una unidad fórmula de corindón?
Calcula la masa de una unidad fórmula (despreciando los electrones).
¿Cuántas unidades fórmula hay en $1\,\mathrm{g}$ de corindón?
¿Cuántos iones $\ce{Al^{3+}}$ y cuántos iones $\ce{O^{2-}}$ son?
¿Por qué se pueden despreciar los electrones en la pregunta 14?
¿Cuántos electrones se transfirieron del aluminio al oxígeno para formar $1\,\mathrm{g}$ de corindón?

Solución

Solución de Problema 23.1.

1. Aluminio: 13 protones, 13 electrones. Oxígeno: 8 protones, 8 electrones.

2. Al: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^1$ . O: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ .

3. Al: 3 electrones de valencia, periodo 3, grupo 13. O: 6, periodo 2, grupo 16.

4. El aluminio es un metal; el oxígeno, un no metal.

5. $\ce{Al^{3+}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

6. $\ce{O^{2-}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

7. El neón.

8. El aluminio pierde 3, y el oxígeno gana 2.

9. $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ : $\ce{Al2O3}$ .

10. Perdidos: $2 \times 3 = 6$ . Ganados: $3 \times 2 = 6$ .

11. Los electrones no se crean ni se destruyen: los que pierde el aluminio son exactamente los que gana el oxígeno, y el compuesto es neutro.

12. Tiene la misma carga, $+3$ : las cargas del cristal siguen compensándose.

13. $2 \times 27 + 3 \times 16 = 102$ nucleones.

14. $102 \times 1.67 \times 10^{-27} = 1.70 \times 10^{-25}\,\mathrm{kg}$ .

15. $10^{-3} / 1.70 \times 10^{-25} \approx 5.87 \times 10^{21}$ unidades fórmula.

16. $2 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.17 \times 10^{22}$ iones $\ce{Al^{3+}}$ ; $3 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.76 \times 10^{22}$ iones $\ce{O^{2-}}$ .

17. Un electrón es unas 1836 veces más ligero que un nucleón; los 50 electrones de una unidad fórmula pesan menos de tres centésimas de un nucleón.

18. $6 \times 5.87 \times 10^{21} \approx 3.5 \times 10^{22}$ electrones transferidos para $1\,\mathrm{g}$ de corindón.

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