En el gràfic següent hi ha representades la primera energia d'ionització (línia superior) i l'afinitat electrònica (línia inferior) dels trenta-sis primers elements de la taula periòdica en funció del seu nombre atòmic. (A la figura, l'energia d'ionització puja fins a un màxim a cada gas noble —He, Ne, Ar, Kr— i cau a un mínim a cada alcalí —Li, Na, K—; l'afinitat electrònica, en kJ/mol, és propera a zero per a la majoria d'elements i té els mínims, negatius, al F, al Cl i al Br.)
Dades: Nombres atòmics: Z(Li) = 3; Z(F) = 9; Z(Ne) = 10; Z(Na) = 11; Z(Cl) = 17; Z(Br) = 35. Nombre d'Avogadro: N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹. Velocitat de la llum en el buit: c = 3,0 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s.
2.1) Expliqueu què és la primera energia d'ionització i raoneu quin signe té. Justifiqueu per què el Li té el valor més petit de la primera energia d'ionització i el Ne, el més alt de tots els elements del segon període de la taula periòdica. Expliqueu què és l'afinitat electrònica. Justifiqueu per què el F, el Cl i el Br són els mínims del gràfic. Raoneu les respostes basant-vos en les configuracions electròniques i en el model atòmic de càrregues elèctriques. [1,25 punts]
2.2) Justifiqueu, d'acord amb el model atòmic de càrregues elèctriques, la gran diferència que hi ha entre la primera energia d'ionització del Na (496 kJ mol⁻¹) i la segona (4 562 kJ mol⁻¹). Calculeu l'energia (J àtom⁻¹) i la longitud d'ona que hauria de tenir un fotó capaç d'arrencar un electró de l'ió sodi. [1,25 punts]
La major part de la fruita seca té un contingut ric en minerals de fàcil absorció, com potassi, fòsfor i magnesi. Aquests nutrients són essencials per al bon funcionament de l'organisme, per exemple, en el control de la pressió sanguínia (potassi), en la modulació de la resposta del sistema immunitari (fòsfor) o com a cofactors en un gran nombre d'enzims (magnesi).
Dades: Nombres atòmics: Z(K) = 19; Z(Mg) = 12; Z(P) = 15; Z(Cl) = 17. Electronegativitat segons l'escala de Pauling: P = 2,19; Cl = 3,16.
2.1) Escriviu les configuracions electròniques del potassi, del fòsfor i del magnesi, i determineu a quin grup, període i bloc de la taula periòdica pertany cadascun. Definiu què és l'energia d'ionització d'un element i justifiqueu si aquesta magnitud és positiva o negativa. D'entre el potassi, el fòsfor i el magnesi, quin d'aquests elements presentarà la primera energia d'ionització més petita? I la més gran? Justifiqueu la resposta. [1,25 punts]
2.2) Els derivats orgànics del fòsfor s'utilitzen en un ampli ventall d'aplicacions, per exemple, com a herbicides o com a agents retardants de flama en plàstics. El triclorur de fòsfor (PCl₃) és un dels intermediaris principals utilitzats en la síntesi industrial d'aquests compostos. Representeu l'estructura de Lewis del triclorur de fòsfor i predigueu quina n'ha de ser la geometria segons la teoria de repulsió dels parells d'electrons de la capa de valència (RPECV). Expliqueu de manera justificada si el triclorur de fòsfor és un compost polar o no. Quin és el principal tipus de forces intermoleculars que poden formar les molècules de triclorur de fòsfor entre elles? [1,25 punts]
Els telèfons intel·ligents contenen entre trenta i setanta elements químics; tots són essencials per al funcionament d'aquests aparells. Per exemple, en les bateries els elements majoritaris són el liti, el cobalt i el carboni; els vidres de les pantalles s'han endurit (per fer-los més resistents) mitjançant un intercanvi d'ions de sodi per ions de potassi, i per al funcionament de les connexions electròniques s'utilitzen metalls com el coure, l'or i la plata.
Dades: Nombres atòmics: Z(Li) = 3; Z(C) = 6; Z(Na) = 11; Z(K) = 19; Z(Co) = 27. Nombre d'Avogadro: N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹. Velocitat de la llum en el buit: c = 3 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s. 1 nm = 10⁻⁹ m.
a) Escriviu la configuració electrònica dels elements que s'utilitzen en les bateries dels telèfons intel·ligents. Justifiqueu a quin grup, període i bloc de la taula periòdica pertany cadascun. Raoneu, segons la configuració electrònica i el model atòmic de càrregues elèctriques, si el radi atòmic del sodi serà més gran o més petit que el radi atòmic del potassi. [1,25 punts]
b) Sabent que l'energia d'ionització de la plata és de 731 kJ mol⁻¹, calculeu la freqüència i la longitud d'ona que hauria de tenir un fotó capaç d'ionitzar un àtom de plata. Expliqueu per què el signe de l'energia d'ionització és positiu. [1,25 punts]
La determinació de propietats atòmiques i la modelització de les estructures formades per interacció entre àtoms han estat essencials en la construcció del coneixement de la química. El desenvolupament de noves substàncies i materials i l'anàlisi estructural continuen sent focus d'atenció en projectes de recerca i innovació.
L'enllaç covalent i l'enllaç iònic són models molt útils per a interpretar les propietats de les substàncies, però els enllaços reals tenen un percentatge d'enllaç covalent i iònic que es basa sobretot en la diferència d'electronegativitat. En general, si la diferència d'electronegativitat entre els àtoms és superior a 1,7, l'enllaç tindrà més d'un 50 % de caràcter iònic, mentre que si és inferior a 1,7, el percentatge de caràcter iònic serà de menys del 50 %.
A) Molècula de clorur de beril·li (BeCl₂): tres esferes alineades (Cl–Be–Cl). B) Xarxa tridimensional del clorur de liti (LiCl): cristall cúbic d'ions Li⁺ i Cl⁻ alternats.
Dades: nombre atòmic i electronegativitat: H (Z = 1; 2,1); Li (Z = 3; 1,0); Be (Z = 4; 1,5); O (Z = 8; 3,5); Cl (Z = 17; 3,0).
a) Expliqueu a quin tipus d'enllaç corresponen aquestes imatges (A i B) i justifiqueu la geometria o estructura d'aquests compostos i quin tipus d'enllaç hi predomina, utilitzant les dades d'electronegativitat de la taula adjunta. Representeu les estructures de Lewis del BeCl₂ i del H₂O. Justifiqueu, mitjançant la teoria de repulsió dels parells d'electrons de la capa de valència (RPECV), les geometries de les molècules de clorur de beril·li (imatge A) i de l'aigua, i raoneu si es tracta de molècules polars o apolars. [1,25 punts]
b) Els valors de les primeres energies d'ionització del liti i del beril·li són, respectivament, 520,3 i 899,5 kJ mol⁻¹. Raoneu per què les energies d'ionització tenen signe positiu. Indiqueu a quin grup i període pertany cadascun dels elements. Expliqueu, a partir de la seva configuració electrònica i el model atòmic de càrregues elèctriques, per què és més gran l'energia d'ionització del beril·li que la del liti. [1,25 punts]
Els halògens són els elements que presenten la configuració electrònica de la capa de valència ns² np⁵ i es troben a la natura formant molècules diatòmiques. El mot halogen prové del grec i significa «que forma sals». D'altra banda, els metalls alcalins són els elements que presenten la configuració electrònica de la capa de valència ns¹.
Taula de dades dels elements liti, fluor i sodi (sense ordenar): radi atòmic (Å): 1,82 · 0,42 · 2,27; energia d'ionització (kJ mol⁻¹): 1 681,0 · 496,0 · 520,2.
Dades: Nombres atòmics: Z(Li) = 3; Z(F) = 9; Z(Na) = 11; Z(Br) = 35; Z(I) = 53. Nombre d'Avogadro: N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹. Velocitat de la llum en el buit: c = 3 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s. 1 nm = 10⁻⁹ m.
a) Expliqueu per què, a temperatura ambient, el F₂ és un gas, el Br₂ és un líquid i el I₂ és un sòlid. Raoneu per què aquests tres elements formen molècules diatòmiques i és difícil trobar-los en forma d'àtoms aïllats a la natura. Quin tipus d'enllaç s'estableix entre un halogen i un metall alcalí? Justifiqueu la resposta i poseu un exemple d'un compost amb aquest tipus d'enllaç. [1,25 punts]
b) Escriviu les configuracions electròniques de cada element (liti, fluor i sodi). Assigneu a cada element el radi i l'energia d'ionització que li corresponen. Raoneu la resposta segons el model atòmic de càrregues elèctriques. Calculeu si un fotó de llum blava de λ = 420 nm seria capaç d'ionitzar l'àtom que té una energia d'ionització de 520,2 kJ mol⁻¹. [1,25 punts]
L'indi (Z = 49), el neodimi (Z = 60) i el tàntal (Z = 73) són elements que es troben a diferents blocs de la taula periòdica i que són clau en els components de les noves tecnologies. Aquests elements, tal com indica el fragment de la taula de la figura següent, actualment es troben en perill.
[Figura: fragment de la taula de l'EuChemS dels noranta elements que es troben a la natura i que ho constitueixen tot, segons la seva abundància. Cada element ocupa una àrea proporcional a la seva abundància i està acolorit segons la disponibilitat: amenaçat seriosament en els cent anys venidors; amenaçat de manera creixent per l'augment de l'ús que se'n fa; disponibilitat limitada, subministrament futur en perill; reserva abundant; sintètic; obtingut de minerals disputats en conflictes bèl·lics o socials. Una icona de telèfon marca els elements utilitzats en els telèfons intel·ligents. L'In, el Nd i el Ta apareixen en zones de perill.]
Les configuracions electròniques dels elements són: In: [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p¹; Nd: [Xe] 4f³ 6s²; Ta: [Xe] 4f¹⁴ 5d³ 6s².
a) Argumenteu, a partir de la seva configuració electrònica, a quin bloc i període pertany cadascun d'aquests tres elements, si es tracta d'elements de les anomenades terres rares i si la substància elemental és un metall o no. Representeu els electrons de la seva configuració electrònica i justifiqueu les representacions tenint en compte la regla de Hund i el principi d'exclusió de Pauli. [1,25 punts]
b) Quines són i com s'enuncien les bases fonamentals del model atòmic mecanicoquàntic actual? Quins nombres quàntics (n, l, mₗ) tindran els orbitals 5p d'un àtom d'indi? I l'orbital 6s d'un àtom de neodimi o tàntal? Argumenteu si la combinació dels nombres quàntics següents, (4, 1, −1) i (5, 3, 0), determinen algun orbital. En cas afirmatiu, de quin tipus d'orbital es tracta? [1,25 punts]
L'electronegativitat és una propietat periòdica especialment rellevant per a explicar la capacitat d'un element de reaccionar amb altres elements i formar enllaços. Anomenem dos tipus d'elements A i B, amb els nombres atòmics 6 i 8, respectivament.
a) Expliqueu què és l'electronegativitat. Escriviu les configuracions electròniques fonamentals d'aquests elements i justifiqueu, basant-vos en aquestes configuracions, quin dels dos elements tindrà el valor més petit d'electronegativitat. [1,25 punts]
b) Utilitzant les configuracions electròniques dels elements A i B, raoneu quina és l'estructura de Lewis del compost AB₂. Expliqueu quin tipus d'enllaç poden formar aquests dos àtoms. Determineu quina geometria i quins angles d'enllaç tindrà la molècula formada segons la teoria de repulsió dels parells d'electrons de la capa de valència (RPECV) i justifiqueu la resposta. Raoneu si aquesta molècula serà polar i si tindrà un punt d'ebullició alt o baix. [1,25 punts]
El nom de l'heli prové del grec helios, que significa 'Sol', ja que aquest element va ser detectat primer al Sol que a la Terra. L'any 1868 l'astrònom francès Jules Janssen va observar, durant un eclipsi solar, una línia espectral a 587,49 nm d'un element desconegut fins llavors a la Terra. A la taula següent es mostren les dades dels valors d'energia simplificats dels orbitals de l'àtom d'heli.
Energia dels orbitals de l'heli (eV): 3d 23,20; 3p 23,04; 3s 22,81; 2p 21,08; 2s 20,20; 1s 0.
Dades: Nombres atòmics: Z(He) = 2; Z(Ne) = 10. Velocitat de la llum en el buit: c = 3,0 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s. 1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J.
a) Calculeu a quina transició electrònica des de l'orbital 3d correspon la línia espectral observada per Janssen. Quina freqüència hauria de tenir una radiació per a excitar un electró d'heli des de l'estat fonamental fins a l'orbital 3s? [1,25 punts]
b) Quines són i com s'enuncien les bases fonamentals del model atòmic mecanicoquàntic actual? Expliqueu què és un orbital atòmic segons el model mecanicoquàntic. Digueu quins són els nombres quàntics dels electrons de valència d'un àtom d'heli i d'un àtom de neó. [1,25 punts]
La taula periòdica ordena els elements químics per grups (columnes) i períodes (files). En estudiar les diferents propietats físiques veiem que els elements d'un mateix grup tenen propietats semblants. Conèixer aquestes propietats és essencial per a poder-ne avaluar el comportament químic.
Punts d'ebullició dels hidrurs del grup de l'oxigen (°C): H₂O 100,0; H₂S −60,1; H₂Se −42,0; H₂Te −1,8.
Dades: Nombres atòmics: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(N) = 7; Z(O) = 8. Electronegativitat segons l'escala de Pauling: H = 2,2; C = 2,55; N = 3,04; O = 3,44; S = 2,58; Se = 2,55; Te = 2,1.
a) Escriviu l'estructura de Lewis de les molècules d'aigua, diòxid de carboni i amoníac. Què ens explica la teoria de repulsió dels parells d'electrons de la capa de valència (RPECV)? Justifiqueu la geometria d'aquestes tres molècules segons aquesta teoria. [1,25 punts]
b) Expliqueu la diferència entre una molècula polar i una d'apolar. Quines de les tres molècules de l'apartat anterior són polars? Justifiqueu la resposta i descriviu els factors que afecten la polaritat de cadascuna de les tres molècules. Raoneu la causa de les diferències en els punts d'ebullició dels hidrurs del grup de l'oxigen (grup 16). [1,25 punts]
La taula periòdica ordena els elements químics de nombre atòmic més petit a més gran. S'organitza en set períodes (files), divuit grups o famílies (columnes) i quatre blocs, segons les configuracions electròniques (blocs s, p, d i f).
Dades: Nombre d'Avogadro: N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹. Velocitat de la llum en el buit: c = 3,0 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s.
a) Se sap que dos elements, A i B, tenen els nombres atòmics (Z) 11 i 35, però no se sap a quin correspon cadascun. Escriviu les configuracions electròniques dels elements Z = 11 i Z = 35 i determineu el grup, el període i el bloc dels elements de cadascuna d'aquestes configuracions. Sabem que A i B formen el compost iònic AB i que A₂ és un compost covalent. Quin nombre atòmic correspon a A i quin correspon a B? Justifiqueu la resposta d'acord amb les propietats del bloc a què pertanyen i les configuracions electròniques. [1,25 punts]
b) Els raigs X i la radiació gamma són qualificats de radiacions ionitzants perquè poden provocar mutacions i originar la formació d'espècies actives en els teixits dels éssers vius. Tenen longituds d'ona (λ) compreses entre 10⁻¹² i 10⁻¹⁰ m. Definiu el terme energia d'ionització d'un element i raoneu quin signe té. Sabent que l'energia d'ionització de l'hidrogen és de 1 318 kJ mol⁻¹, es podria ionitzar l'àtom d'hidrogen amb una radiació de longitud d'ona de 6 × 10⁻¹¹ m? [1,25 punts]
Les energies reticulars dels compostos iònics són útils per a predir els punts de fusió i les solubilitats en aigua d'aquest tipus de compostos. Per a calcular el valor de l'energia reticular d'un compost iònic com ara el clorur de rubidi, s'utilitza el cicle de Born-Haber:
[Figura: cicle de Born-Haber del RbCl. Rb(s) + ½ Cl₂(g) → RbCl(s) (ΔH₅). Rb(s) → Rb(g) (ΔH₁); ½ Cl₂(g) → Cl(g) (½ ΔH₂); Rb(g) → Rb⁺(g) (ΔH₃); Cl(g) → Cl⁻(g) (ΔH₄); Rb⁺(g) + Cl⁻(g) → RbCl(s) (ΔH₆).]
Dades: Entalpies del cicle de Born-Haber del RbCl a 298 K: ΔH₁ = 82 kJ mol⁻¹; ΔH₂ = 240 kJ mol⁻¹; ΔH₃ = 403 kJ mol⁻¹; ΔH₄ = −349 kJ mol⁻¹; ΔH₅ = −435 kJ mol⁻¹. Nombres atòmics: Z(F) = 9; Z(Na) = 11; Z(Cl) = 17; Z(Rb) = 37.
a) Escriviu les reaccions corresponents a la primera energia d'ionització del rubidi, l'afinitat electrònica del clor i l'entalpia de formació del clorur de rubidi, i indiqueu quin valor tenen les entalpies de cadascun d'aquests processos. Digueu si, segons la configuració electrònica i el model atòmic de càrregues elèctriques, la primera energia d'ionització del sodi serà més gran o més petita que la del rubidi. Justifiqueu la resposta. [1,25 punts]
b) Calculeu el valor de l'energia reticular del clorur de rubidi. Raoneu qualitativament, segons la configuració electrònica de cada element i el model atòmic de càrregues elèctriques, si l'energia reticular del fluorur de sodi (NaF) serà més gran o més petita que la del clorur de rubidi. Considereu els valors absoluts de les energies reticulars. [1,25 punts]
El diagrama de la figura adjunta representa l'energia d'alguns orbitals que poden ser ocupats per l'electró més extern de l'àtom de sodi.
[Figura: diagrama d'energia (eV/àtom) amb nivells horitzontals: 0 (electró arrencat); −1,39 (4p); −1,95 (4s); −3,04 (3p); −5,14 (3s).]
Espectre electromagnètic visible (longitud d'ona, nm): violat 380-450; blau 450-495; verd 495-570; groc 570-590; taronja 590-620; vermell 620-750.
Dades: Nombre atòmic: Z(Na) = 11. Nombre d'Avogadro: N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s. Velocitat de la llum en el buit: c = 3,0 × 10⁸ m s⁻¹. 1 nm = 10⁻⁹ m. 1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J.
a) Definiu el terme orbital atòmic segons el model ondulatori de l'àtom, i escriviu la configuració electrònica de l'àtom de sodi en estat fonamental. Expliqueu què és l'energia d'ionització d'un àtom i calculeu-ne el valor per a l'àtom de sodi, expressat en kJ mol⁻¹. [1,25 punts]
b) En l'espectre d'emissió del sodi s'observa una línia intensa que correspon a la transició electrònica 3p → 3s. De quin color és aquesta radiació? [1,25 punts]
En l'enllumenat públic s'utilitzen diferents làmpades de descàrrega que contenen un gas, com ara les de vapor de sodi a alta pressió. La llum s'aconsegueix per excitació del gas mitjançant l'energia subministrada per una descàrrega elèctrica entre dos elèctrodes. Les làmpades de vapor de sodi tenen una vida limitada, ja que si la descàrrega elèctrica és molt gran, pot produir la ionització del sodi.
Dades: Nombre atòmic del sodi: Z(Na) = 11. Velocitat de la llum en el buit: c = 3,0 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s. Nombre d'Avogadro: N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹. Massa atòmica relativa: Na = 23,0.
a) Definiu el terme primera energia d'ionització d'un element i indiqueu quin signe té. Escriviu la configuració electrònica del sodi abans i després del procés d'ionització. Definiu el terme segona energia d'ionització i indiqueu quin signe té. Expliqueu raonadament, basant-vos en les configuracions electròniques i el model atòmic de càrregues elèctriques: — si el radi del sodi serà més gran o més petit que el de l'ió sodi; — si la segona energia d'ionització del sodi serà més gran o més petita que la primera energia d'ionització. [1,25 punts]
b) Si l'energia d'ionització de l'estat fonamental del sodi és 495,8 kJ mol⁻¹, calculeu la longitud d'ona de la radiació capaç d'ionitzar el sodi gasós. Calculeu també l'energia necessària per a ionitzar 10 g de sodi gasós des del seu estat fonamental. [1,25 punts]
