Química General · Exam review
Repaso para el examen: átomos, electrones y tendencias periódicas
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
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Lo que aprenderás
- Convert between wavelength, frequency and photon energy per photon or per mole, and use the Bohr energies Eₙ = −2.179 × 10⁻¹⁸ J × Z²/n² for one-electron atoms and ions.
- Use quantum numbers and the aufbau, Pauli and Hund rules to write ground-state configurations of atoms, including the Cr and Cu exceptions.
- Write configurations of transition-metal and main-group ions (4s electrons leave first), count unpaired electrons and predict magnetism.
- Rank atoms and ions by radius, ionization energy and related properties, and explain the group 2/13 and 15/16 ionization-energy anomalies and the jumps in successive ionization energies.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
Leer la lección gratis (6 partes)
La luz: tres ecuaciones y una verificación de unidades
Usa c = λν (c = 2.998 × 10⁸ m/s) y E = hν = hc/λ (h = 6.626 × 10⁻³⁴ J s) con λ en metros. Por mol de fotones multiplica por NA = 6.022 × 10²³ mol⁻¹; el producto útil es hcNA = 0.1196 J m/mol. Ejemplo resuelto: un fotón de 486 nm lleva 1.9865 × 10⁻²⁵ J m ÷ 4.86 × 10⁻⁷ m = 4.09 × 10⁻¹⁹ J, o 0.1196 ÷ 4.86 × 10⁻⁷ = 246 kJ/mol. Trampas de unidades mezcladas: MHz significa 10⁶ Hz, nm significa 10⁻⁹ m, y un valor en kJ/mol debe convertirse a J/mol antes de dividir. En el efecto fotoeléctrico KEmax = hν − Φ, y el electrón expulsado tiene entonces su propia longitud de onda de de Broglie λ = h/√(2m·KE). La misma idea de fotón menos energía de enlace es la espectroscopía de fotoelectrones: KE = Efotón − IE.
El átomo de Bohr y los iones con un electrón
Para una especie con un electrón (H, He⁺, Li²⁺), Eₙ = −2.179 × 10⁻¹⁸ J × Z²/n²; el cero de energía es el electrón libre. Una transición de n_high a n_low emite ΔE = 2.179 × 10⁻¹⁸ J × Z² × (1/n_low² − 1/n_high²); absorber esa misma energía la invierte. La forma de Rydberg es 1/λ = R_H Z² (1/n_low² − 1/n_high²), R_H = 1.097 × 10⁷ m⁻¹. La ionización desde el nivel n requiere 2.179 × 10⁻¹⁸ J × Z²/n², así que la energía de ionización del hidrógeno es 1312 kJ/mol y la del He⁺ es 4 × 1312 = 5248 kJ/mol. La luz que ioniza el hidrógeno desde n = 2 (λ ≤ 365 nm) no necesariamente lo ioniza desde n = 1 (λ ≤ 91.2 nm). Las líneas que terminan en n = 1 son ultravioleta (Lyman), en n = 2 mayormente visible (Balmer: 656, 486, 434, 410 nm, convergiendo en 365 nm en el ultravioleta cercano), en n = 3 infrarrojo (Paschen).
Números cuánticos y configuraciones del estado fundamental
n = 1, 2, 3 …; l = 0 … n − 1 (s, p, d, f); mℓ = −l … +l; ms = ±½. Cada orbital contiene dos electrones de espín opuesto (Pauli). Llena 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p (aufbau), y reparte los electrones entre orbitales degenerados con espines paralelos antes de aparearlos (Hund). La capa n = 3 contiene 18 electrones, pero el período 3 tiene solo 8 elementos porque el 3d queda por encima del 4s y se llena en el período 4. Excepciones que hay que aprender: Cr [Ar] 3d⁵ 4s¹ y Cu [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ (también Mo y Ag). Ejemplo resuelto: Y (Z = 39) es [Kr] 4d¹ 5s²; el núcleo de kriptón ya contiene 3d¹⁰, así que el itrio tiene 10 + 1 = 11 electrones d y 1 electrón desapareado. Una configuración que obedece a Pauli pero no a aufbau ni a Hund es un estado excitado, no una imposibilidad.
Iones y magnetismo
Los átomos de elementos representativos suelen formar iones con la configuración del gas noble más cercano (Na⁺, Al³⁺, O²⁻, Cl⁻), pero cualquier ion en fase gaseosa se escribe igual: se añaden electrones al subshell ocupado de mayor energía o se quitan de él (F⁺ es 1s² 2s² 2p⁴; el Sn²⁺ pierde sus electrones 5p antes que los 5s y es [Kr] 4d¹⁰ 5s²). Los metales de transición llenan el 4s antes del 3d, pero pierden el 4s primero: una vez que el 3d tiene electrones, el 3d queda por debajo del 4s, y el orbital de n = 4, más grande, es el más externo. Fe es [Ar] 3d⁶ 4s², Fe²⁺ es [Ar] 3d⁶ (4 desapareados) y Fe³⁺ (dibujado) es [Ar] 3d⁵ (5 desapareados, el máximo para un ion 3d). Toda especie con al menos un electrón desapareado es paramagnética (es atraída hacia un campo magnético); si todos están apareados es diamagnética (Ti⁴⁺ con d⁰, Ga³⁺ y Ag⁺ con d¹⁰). Igual número de electrones no significa igual configuración: Co y Cu²⁺ tienen ambos 27 electrones, pero Co es 3d⁷ 4s² (3 desapareados) y Cu²⁺ es 3d⁹ (1 desapareado). El d⁵ semilleno es especialmente estable, por lo que Mn²⁺ → Mn³⁺ (tercera energía de ionización 3248 kJ/mol) es más difícil que Fe²⁺ → Fe³⁺ (2957 kJ/mol).
Tendencias periódicas y sus excepciones
A lo largo de un período, la carga del núcleo que sienten los electrones de valencia (Zeff ≈ Z − electrones internos) aumenta mientras n permanece igual, así que el radio disminuye y la primera energía de ionización, la electronegatividad y el carácter no metálico aumentan. Al bajar por un grupo n aumenta, así que el radio crece y la energía de ionización disminuye. Dos excepciones en la primera energía de ionización: el grupo 13 es menor que el grupo 2 (Mg 738 > Al 578 kJ/mol) porque el electrón np tiene mayor energía que el ns; el grupo 16 es menor que el grupo 15 (P 1012 > S 1000 kJ/mol) porque el cuarto electrón p se aparea en un orbital ocupado, y al perderlo queda un ion p³ semilleno. La afinidad electrónica también tiene una excepción conocida: el Cl (−349 kJ/mol) libera más energía que el F (−328 kJ/mol) al ganar un electrón, porque el electrón añadido queda apretado en la pequeña capa 2p del flúor. Los iones isoelectrónicos se contraen al aumentar Z: O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Al³⁺ (todos con 10 electrones, dibujado). Las energías de ionización sucesivas dan un salto cuando el siguiente electrón proviene del interior: Mg 738, 1451 y luego 7733 kJ/mol, así que el magnesio tiene dos electrones de valencia.
Lo que conviene recordar
Mantén λ en metros y las energías en J por fotón o J/mol, e incluye Z² para los iones con un electrón. Llena según aufbau, Pauli y Hund, recuerda el Cr y el Cu, y quita primero los electrones 4s al formar iones de metales de transición; un electrón desapareado hace que la especie sea paramagnética. Las tendencias siguen a Zeff y a n; las excepciones (grupo 2 > 13, grupo 15 > 16, saltos grandes en el interior) se deben al orbital del que sale el electrón.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Predice el producto 4
Iones y magnetismo
- Configuración del Co³⁺Escribe la configuración de un ion 3+ de un metal de transición quitando primero los electrones 4s y luego los 3d.
La luz y el átomo de Bohr
- Un electrón cae de n = 5 a n = 2Predice si una transición del hidrógeno emite o absorbe luz y en qué región espectral se encuentra la línea.
Tendencias periódicas y energía de ionización
- El mayor de cuatro iones tipo kriptónPredice el miembro más grande de una serie isoelectrónica a partir de la carga nuclear.
Números cuánticos y configuraciones
- Configuración del estado fundamental del níquelEscribe la configuración de gas noble de un metal de transición del período 4 mediante el llenado de aufbau.
Clasificar 4
Iones y magnetismo
- ¿Qué ion es diamagnético?Clasifica iones de metales de transición como paramagnéticos o diamagnéticos a partir de sus configuraciones de electrones d.
Números cuánticos y configuraciones
- Números cuánticos del electrón 4p del galioElige un conjunto válido de números cuánticos para el electrón de mayor energía de un átomo del bloque p.
- Detecta el verdadero estado fundamentalDecide cuál configuración, entre átomos e iones de metales de transición, es el verdadero estado fundamental.
Tendencias periódicas y energía de ionización
- Dónde baja la tendencia en el periodo 3Clasifica pares vecinos del periodo 3 según si la primera energía de ionización sube o baja de izquierda a derecha.
Comparar 5
Light and the Bohr atom
- Rank photons given in different unitsRank photons described by molar energy, frequency, wavelength and a Bohr transition after converting each to energy per photon.
Periodic trends and ionization energy
- Rank five atoms by first ionization energyRank atoms from different groups and periods by first ionization energy, including the group 15/16 anomaly.
- Rank five atoms by second ionization energyRank atoms by second ionization energy by asking which electron each +1 ion must lose.
Ions and magnetism
- Rank atoms and ions by unpaired electronsRank a mixed set of main-group atoms and transition-metal ions by their numbers of unpaired electrons.
Iones y magnetismo
- Igual número de electrones, distinta configuraciónIdentifica el par de especies que son isoelectrónicas pero tienen distinta configuración en el estado fundamental.
Calcular 12
La luz y el átomo de Bohr
- Absorber a 97.2 nm y luego emitirHalla el nivel alcanzado en una absorción del hidrógeno y luego calcula la longitud de onda de una emisión posterior.
- Fotones de Blu-ray y de DVD, por molCompara las energías molares del fotón de dos láseres convirtiendo cada longitud de onda a kJ/mol antes de restar.
- La línea n = 3 → 2 del He⁺Calcula la longitud de onda de emisión de un ion con un solo electrón usando la dependencia con Z² de las energías de Bohr.
- Longitud de onda de De Broglie de un fotoelectrónCombina la ecuación fotoeléctrica con la relación de De Broglie para hallar la longitud de onda de los electrones expulsados más rápidos.
Tendencias periódicas y energía de ionización
- Fotoelectrones del argónCalcula la energía cinética de los fotoelectrones a partir de la energía de un fotón y de una primera energía de ionización, por mol.
- Longitud de onda más larga que ioniza átomos de sodioConvierte una energía de ionización molar en la longitud de onda más larga de un fotón capaz de ionizar un átomo.
Iones y magnetismo
- ¿Cuántas son paramagnéticas?Cuenta las especies paramagnéticas de una lista mixta de átomos e iones a partir de sus configuraciones de estado fundamental.
Ions and magnetism
- Unpaired electrons in O⁻Count the unpaired electrons of a gas-phase main-group anion formed by adding one electron to an atom.
Números cuánticos y configuraciones
- Átomos del periodo 4 con un electrón desapareadoCuenta los átomos del periodo 4 cuyos estados fundamentales tienen exactamente un electrón desapareado, incluidos los metales de transición y las excepciones.
- Electrones con l = 0 en Zn²⁺Cuenta los electrones con un número cuántico de momento angular dado en un ion de metal de transición tras quitar primero sus electrones 4s.
- Electrones en orbitales d del circonioCuenta todos los electrones con l = 2 en un metal de transición del periodo 5, incluidos los del interior y los de valencia.
Light and the Bohr atom
- Wavelength of an FM radio signalConvert a frequency given in MHz into a wavelength with c = λν.
Encuentra el error 4
Tendencias periódicas y energía de ionización
- Encuentra la afirmación falsa en una hoja de repasoEncuentra la afirmación incorrecta sobre tendencias periódicas entre varias que ponen a prueba las excepciones habituales.
La luz y el átomo de Bohr
- ¿Es el He⁺ tan fácil de ionizar como el H?Encuentra el error en una estimación de la energía de ionización del He⁺ que ignora la carga nuclear.
Iones y magnetismo
- ¿Menos electrones, menos desapareados?Evalúa una afirmación sobre los electrones desapareados del Fe²⁺ y del Fe³⁺ escribiendo ambas configuraciones.
Quantum numbers and configurations
- Is the oxygen atom diamagnetic?Identify which filling rule a proposed orbital diagram breaks and correct the magnetic prediction.
Interpreta la evidencia 2
La luz y el átomo de Bohr
- ¿Qué transición produjo este fotón?Relaciona la energía de un fotón emitido con una transición del hidrógeno usando una tabla de energías de niveles.
Tendencias periódicas y energía de ionización
- Identifica un elemento y su óxido a partir de las energías de ionizaciónUsa el salto entre energías de ionización sucesivas para hallar los electrones de valencia de un elemento del periodo 3 y la fórmula de su óxido.
Trabaja hacia atrás 4
Iones y magnetismo
- Un dicatión diamagnético del período 5Identifica un elemento del período 5 a partir del magnetismo y de las subcapas ocupadas de su ion 2+.
Números cuánticos y configuraciones
- Cinco electrones en el quinto nivelIdentifica un elemento a partir del número de electrones en un nivel y de su número de electrones desapareados.
- Nombra el átomo a partir de su diagrama de orbitalesIdentifica un átomo neutro a partir de un diagrama de orbitales de valencia contando sus electrones.
Tendencias periódicas y energía de ionización
- Un elemento del periodo 4 con un catión semillenoIdentifica un elemento representativo del periodo 4 a partir de una caída en la energía de ionización y de la configuración de su catión en fase gaseosa.
Planea una síntesis 1
- Ionizar solo los átomos excitadosElige una longitud de onda que ionice los átomos de hidrógeno en n = 2 pero no los que están en el estado fundamental.
Explica por qué 4
Iones y magnetismo
- Se llena primero y se pierde primeroExplica por qué los metales de transición pierden los electrones 4s antes que los 3d, aunque el 4s se llene primero.
- Por qué el Mn²⁺ resiste más la oxidación que el Fe²⁺Explica una inversión de la energía de ionización entre el Mn²⁺ y el Fe²⁺ a partir de sus configuraciones de electrones d.
Tendencias periódicas y energía de ionización
- Por qué el Mg²⁺ es más pequeño que el Na⁺Explica la diferencia de tamaño entre dos cationes isoelectrónicos a partir de la carga nuclear.
Números cuánticos y configuraciones
- Dieciocho lugares, ocho elementosExplica por qué el periodo 3 tiene ocho elementos aunque la capa n = 3 pueda alojar 18 electrones.
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