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TEORICO PRACTICO Nยบ 4 - ISPS Nยบ 6005 1/29

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conceptuales Maua conceptual 1

Secuencia historica de las ideas y descubrimientos y e conducen a la Ley Periodica actual

Ley Periidica de Mendeleiev (1869) Las propiedades fisicas y quirnicas de 10s elernentos son funciones peribdicas de la rnasa atbrnica.

Ley Per~dd~ca de Mendeleiev

Octavas de Newlans

Rayos x Moseley. Espectros de raYOS xde ios elementos.

Nljrnero atomic0

LEY PERIOOICADE MENDELEIN-MOSNY

I

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Lev Periidica Mendeleiev-Morelev 11914) Las propiedades fisicas y quirn~cas de 10s elementos son funclones peribd~casdel n h e r o atbrnico.


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Tabla Periodica En busca del orden. La masa atomica relativa: una propiedad ordenadora Una de las consecuencias valiosas de deterrninar las masas atornicas relativas fue que permitio ordenar 10s elementos en forrna creciente de acuerdo con esta .oropiedad. . El elemento mas liviano, el hidrageno, encabezaba este ordenamiento; luego seguian 10s elernentos de mayor rnasa en orden de menor a rnavor. Al ordenarlos de esta forrna se oudo cornprobar aue 10s elementos con oropiedades similares se repetian de acukrdo a un orden que era necesario'descubric El responsable de este hallazgo fue Dirnitri Mendeleiev, quimico ruso, quien en febrero de 1869 descubre una forma de ordenar 10s elernentos ubicando las sustancias simples, con propiedades quirnicas similares, en una misma fila horizontal. (La disposicibn de 10s elementos en la prlrnera tabla era distinta a la actual.) Esta estructura se plasm6 en la llarnada Tabla Periddica de 10s Elernentos. Junto a Mendeieiev s~ ubica el quirnico alemin Lothar Meyer, quien realizo un ordenarniento similar, utilizando el volumen atomic0 de las elementos, un tiernpo despues. La obra de Mendeleiev tuvo antecedentes. Entre ellos, las triadas de Oobereiner y las octavas de Newlans.

Triadas de Dohereiner En 1829, Johann W. Dobereiner comprobo que el elernento bromo, descubierto en 1826, tenia propiedades sirnilares a otros dos: el cloro y el iodo, y su rnasa atdrnica era aproxirnadarnente igual a la sernisurna de las rnasas atomicas de estos dos elernentos, forrnando una triada. En estos tres elementos se observa una gradation en la reactividad quimica y en 10s colores. El cloro es un gas de color verde y el brorno es un liquido rojo, cuyos vapores son de color rnarrdn rojizo. El iodo, en el estado solido, es gris plata y sus vapores son violetas. Sus reactividades quirnicas decrecen en el orden mencionado La idea de las triadas fue dejada de lado al no identificarse otras entre 10s elernentos conocidos en esa epoca.

Cloro. iodo y brorno forrnan una triada. Sabiendo que las rnasas atornicas relativas del iodo y cloro son: 35 7 y 126.9, calcular la rnasa atarnica relativa del brorno.

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El azufre, selenio y teluro constituyen otra triada, lnvestigar cuales son las propiedades quimicas similares y calcular la rnasa at6mica del elemento que queda en el medio, el selenio, sabiendo que: 32 y 128 son las masas at6micas del S y del Te respectivamente. El magnesio, calcio y estroncio, jconstituyen una triada? Justifique su respuesta

Octavas de Newlans El trabajo del quimico ingles John A. Newlans, realizado en 1864, constituye un avance en la bdsqueda de un orden en la naturaleza y por lo tanto, un antecedente importante de la Tabla Peri6dica. Newlans fue el primero en ordenar los elementos por sus masas atomicas crecientes en columnas verticales, y obsew6 que cada siete elementos, el octavo coincidia con el primero, en sus propiedades quirnicas. "en una especie de repeticion de este ultimo, coma la octava nota de una escala musical".

.

Varios elementos con propiedades quimicas sirnilares quedaban en la rnisrna fila horizontal, como por ejemplo 10s halogenos: flljor, cloro, bromo, iodo o 10s metales alcalinos: sodio, potasio, rubidio, cesio. Pero el hecho de mantener las columnas de siete elementos fijas lo llevo por carninos equivocados, ya que ubico en las filas horizontales elernentos con propiedades quimicas diferentes, por lo que pronto cay6 en el olvido.

i El Origen de /as Especiesfue publicado por Charles Darwin en 1859, y con esta obra se introduce un orden en la biologia. Diez aiios mas tarde, en 1869, Dimitri Mendeleiev se pregunto: jTal vez exlste algdn orden oculto tarn-

i bien en el mundo de la rnateria inorganica?

La Tabla Periodica "Los desarrollos de la lluimica General realizados durante el siglo XX se originaron en la Ley de Periodicidad de 1 10s Elementos lluimicos, primera ley que permitio entrever una posible relacion genetica entre dichos elementos". La tarea de ordenamiento de 10s elementos quedd finalmente en manos del quimico rusa Dimitri Mendeleiev (183419071, quien tuvo el merito de no atarse a periodos iguales y de usar la valencia como propiedad principal para decidir la ubicacion de 10s elementas en la Tabla Periodica, ademas del orden creciente de las masas atomicas, como lo habia hecho Newlans. En 1867 fue nombrado profesor en la Universidad de San Petersburgo. Estaba en el ambiente academic0 de su kpoca encontrar un orden en a s elementos.

:

Mendeleievy su madre: En 1887, en la dedicatoria de uno de sus libros, se referia a su madre de esta manera: "Edu-

i caba con el ejemplo, corregia con amor y para dedicar su hijo a la ciencia dej6 Siberia con 61, empieando en ello i sus liltimos recursos y sus Qltimasfuerzas". Cuenta la historia que Mendeleiev tenia 63 tarjetas con el nornbre de cada elemento conocido y sus principales propiedades fisicas y quimicas. Pensaba frecuentemente en ellas, siguiendo el consejo de Isaac Newton, de reflexionar con asiduidad sobre un problema para encontrarle una solution. En la tarde del 19 de febrero de 1869, luego de tomar un cafe, qued6 dormitando en la mesa, y en sueiios se le present6 un orden de 10s elementos. A1 despertarse desarrollo la intuition percibida y complet6 la primera Tabla Periodica y el enunciado de la Ley Peri6dica:

"Las pmpiedades de 10s elementos son funciones periidicas de sus masas atomicas." Mas adelante habra una correction de esta ley al demostrarse que, en realidad, las propiedades peri6dicas dependen del niimero at6mico: z.

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Tabla Periidica publicada por Mendeleiev en 1869 Esta es la "tablaprevisora", asi llamada por dejar casilleros en blanco para elementos desconocidos en esa epoca

FIGURA 1

En la Tabla Peribdica de Mendeleiev, publicada por prirneravez en MoscO. en el rnes de abril de 1869. habia varioscasillerosen blanco. Mendeleiev, cual un vidente, consider6 que esos casilleros serian ocupados por elementos desconocidos hasta ese entonces. No solo eso, tarnhien predijo las propiedades fisicas y quimicas de o s elernentos faltantes. Aiios mas tarde, estas sustancias fueron descubier~ tas y sus propiedades coincidentes con 10s pronbsticos del gran quirnico ruso. Fue el exito total de esta obra que seiiala un orden y una genesis de 10s atornos. Los gases nobles, que se ubican en el grupo Vlll, fueron investigados por Ransay a pattir de 1894, cuando descubrid el argbn iAr), cuyo significado en griego es: "inene". Por lo tanto este grupo no figura en la Tabla de Mendeleiev.

Tabla Periidica moderna Aqui figuran 10s cuatro primeros periodos y 10s grupos de 10s elernentos llarnados representatives.

I

UGURA Z

Aluminlo

Gallo

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Sllicia

Fbdoro

Amfie

Cloro

Arpbn

Bromo

Kriptbn


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Cornparacian de les predicciones de Mendeleiev respecto al eka-silicio y 10s valores obtenidos d e Gerrnanio. luego de ser descubierto poi un quimico alemdn. Alexander Winkler.

Densidad

5.5

5.47

Valencia

4

4

Mendeleiev. El previsor o vidente En la Tabla Periodica creada por Mendeleiev en 1869 habia lugares en blanco, destinados a elementos no conocidos en a epoca. Uno de esos espacios fue llenado con un nombre: eka-silicio, que quiere decir "el prirnero despues del silicio". El quimico ruso predijo sus propiedades con mucha precisidn. iCual fue el motivo por el que Mendeleiev no colocd a1 arsenic0 en lugar del "eka-silicio", que era el'elernento al que le correspondia ese lugar, de acuerdo con 10s conocimientos de la Opoca? iEn que se baso para predecir su valencia, su rnasa atomica relativa, su densidad, su volurnen atdrnico? Ver figura 2.

El descubrimiento de los rayos X "En el atardecer del 8 de noviembre de 1895. Wilhem Conrad ROntgen estaba trabajando con un tub0 de rayos catodicos al que habia cubierto por enter0 con cartnn negro. La habitacion estaba completamente a oscuras. A cierta distancia del tub0 habia una hoja de papel, utilizada como pantalla, tratada con cianuro platinico de bario Sorprendido, Rontgen vio que ernitia luz. El tub0 de Rontgen, sin embargo, estaba encerrado en carton negro, y ni luz ni rayos catddicos podian salir de el. Asombrado y confundido por ese fenameno inesperado, decidio seguir investigandolo ... Cuando puso la mano frente a1 tubo, pudo ver sus huesos en la pantalla. Habia descubierto una nueva clase de rayos, bautizados por el: rayos X" Con el descubrimiento de 10s rayos X se abrid una nueva era en la historia de la tabla peribdica, segun Isaac Asimov. En 10s aiios siguientes se estudiaron profundarnente las propiedades de estos rayos descubiertos por Rontgen. Se cornprobd que su alto grado de penetraci6n en la rnateria se debia a su pequeiia longitud de onda, entre 0.3 nm y 0,003 nm (entre tres decimos y tres rnil6sirnos de nanometro). Podemos comparar esto con el color violeta de la luz visible, que posee una longitud de onda de 410 nrn, mas de 1.300 veces mayor que la correspondiente a los rayos X. Es importante recordar que a menor longitud de onda le corresponde una mayor energia y tambien, una mayor frecuencia.

El trabaio e~eepcionaldel joven Moseley i

MoselepHenry(1887-1915): Fisico britanico, egresado de la Universidad de Oxford, ayudante de Rutherford en la Unij versidad de Manchester. Creador de la espectroscopia de rayos X y descubridor del nijmero atbmico, contribuyb j a fortalecer el sistema periddico de Mendeleiev, disipando todas las dudas existentes en el ordenarniento de 10s j

elementos. Murid en los Oardanelos, en el frente de batalla, a 10s 27 aiios, durante la Primera Guerra Mundial,

i siendo la m i s sensible oerdida de la ciencia britinica.

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Moseley, a un ritmo de trabajo poco comlin, obtuvo en seis rneses ios espectros de rayos X de 38 elementos, del aluminio al oro, y comprobo que cada elemento posee un espectro caracteristico que permite su identificacion. Tambien pudo comprobar que la longitud de onda disrninuye a lo largo de la Tabla Periodica. Calcul6 la raiz cuadrada de la fiecuencia de cada espectro y la represent6 en funcion del lugar que ocupa el elernento en la tabla periodica. Asi obtuvo una recta. Esta relacion matematica indica m a relacion directa. Par ejernplo: la raiz cuadrada de la frecuencia del aluminio difiere del elernento siguiente de la tabla, el silicio, en un valor determinado, y Bste del fosforo, que le sigue al silicio, en el misrno valor... y asi sucesivarnente. De esta manera, a partir de uno de ellos se pueden determinar 10s siguientes o a partir del espectro de rayos X de un elemento, se lo puede ubicar en la Tabla Periodica. Par io tanto, Moseley encontr6 un niecanismo con el que podia indicar si un elemento estaba bien ubicado en la Tabla Periodica o no. Se pudo verificar que la ubicacion de los elementos realizada por Mendeleiev era correcta. Justifico ademas que no se siguiera estrictamente el orden creciente de la masa atomica relativa, sino que dicho orden fuera controlado por el valor de la valencia, es d e c ~ por r sus propiedades quirnicas, allidonde existen diferencias. El nljmero de orden en la Tabla Periodica se conoce con el nombre de nimero athico (Z).

i

El nimero atimico Z y la carga nuclear

i

lmplica el aurnento de un protdn, a1 pasar de un casillero a otro de la Tabla Perihdica.

i La energia de 10s rayos X que emiten 10s elernentos esta relacionada con la carga del nucleo. Ya en la kpoca de i. Moseley se conocia el atorno nucleado y con carga positiva, pero no se habia percibido esta relaci6n directa que .

Ley Periodica Mendeleieu-Moseley (1914) Cuarenta y cinco aiios despues de aquel historic0 1869 en que Mendeleiev concibio un orden en 10s elementos, coordinando las masas atornicas y las propiedades quimicas, se completa su trabajo con el aporte de Moseley. La Tabla Periodica de Mendeleievfue, para algunos autores, el mayor aporte al desarrollo de la Quirnica en el siglo XIX.

i Ley Periidica Mendeleiev-Moseley: las pmpiedades quimicas y fisicas de 10s elementos son funciones periodicas de su numelo atomico.

Descripcinn de la Tabla Periitdica Consta de grupos y periodos. Los grupos son las colurnnas verticales y contienen elernentos con propiedades quimicas sirnilares. Ocho grupos contienen a 10s llarnados elementos principales, incluyendo a1 grupo cero u ocho de 10s gases nobles. Los periodos son las filas horizontales. Los tres prirneros se definen corno periodos cortos, 10s cuatro restantes son 10s largos. En ellos se ubican mas de cien elementos, de loscuales la rnayoria existe en la naturalera, y otros, de corta vida, han sido creados en laboratorios de aka complejidad. En la Tabla Periodica cada elernento tiene su casillero: Este casillero consta del simboio del elemento y de dos nfimeros poi lo rnenos. Uno es el nijrnero at6mico, que indica el nlimero de orden en la tabla y el otro es la masa atomica relativa. Grupos Son las columnas vel?icales. En ellas se encuentran elementos con propiedades quimicas similares. Periodos Los periodos son las filas horizontales. El primer periodo consta solo de dos elementos. el hidrogeno y el helio. Los dos siguientes tienen cada uno ocho elementos. El tercer periodo ya contiene dieciocho elementos, pues hay que agregar los diez correspondientes a 10s de transition.

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40.08

Z: numero atamica 87.62

masa atamica relativa

137.34

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Modelo atomico de Rutherford-Bohr Un nuevo modelo atomico John Dalton concebia a 10s atomos como macizos e indestructibles; de la misma manera lo habian imaginado 10s atomistas griegos como Democrito de Abdera o su maestro. Leucipo, dos mil aiios atras.

FIGURA 4

Modelo atbmico de Rutherford-Bohr Secuencia d e Ins principales descubrimientos que llevaron a la elaboracion del rnodelo atomico d e Rutherford-Bohr

En 1914.Rlrtherfurd pmpune que la unidad de cage positiva sea el nicleo del Btomo de H. mas tarde llamado p m t h

Oeswhrimiento de la parlieula elfa. Radioactrvidad Becquerel. 1846

Aplicaciin de la teo~iecuantica Max Planck. 1312

Modelo etimico de Ruthelford-Bohr Rutherlonl-Bohr.1913

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El descubrimiento del electron vino a modificar estas ideas y comenzd a vislumbrarse un nuevo mundo subatbmico, inedito en la mente de los antiguos. El electron. con una masa 1.836 veces inferior a la del atomo mas pequeiio, el hidrogeno, vino a iniciar la necesidad del cambia. Para tener una idea de la relacion atomo de hidrogeno-electrtrn, supongamos par un mornento que un Btomo de hidrdgeno pesara 50 kg; entonces un electron pesaria 27 g. Se puede apreciar mejor la relacion de tamaiios. Luego siguio el descubrimiento del nucleo, donde esta concentrada la materia. Con una densidad impensable, del orden de las 60 millones de toneladas par cm3. La materia era practicamente vacia. Y por ljltimo esta la ubicacidn de los electrones en orbitas estacionarias, coma las Ham6 Bohr, utilizando la teoria cuantica, que permiti6 dar razones del origen de 10s espectros, incluso de los espectros de rayos X. Este modelo atomico arrojb nueva luz sobre la Tabla Peritrdica, dando explicaciones sencillas y convincentes del paralelismo entre configuracion electrdnica y propiedades quimicas. Tambien brindo una nueva forma de interpretar cdmo se unen 10s atomos entre si, a1 conocer las configuraciones de 10s gases nobles. Esto permiti6 nuevamente relacionar las propiedades quimicas con el comportamiento microsc6pico. Ver figura 5.

. ACTlVlDAD 3 En la figura 5 se encuentian dibujados Ins nucleos de los atomos mas simples. Completar la figura indicando: a. El niimero atomico. b. El niirnero rnasico. c. Ubicar ios electrones correspondientes en cada nivel de energia.

H

He

Li

Z: A: Nlvel 1: Nivel 2: Nivel3:

z:

2: A: Nivel 1: Nive! 2: Nivel 3:

A: Nivel 1: Nivel 2: Nivel 3:

Be z. A: Nivel 1.: Nivel 2: Nivel3:

B 2: A: Nivel 1: Nivel 2: Nivel 3:

ACTlVlDAD 4 Cornpletar la tabla de la figura 6 donde estan ubicados los primeros veinte elementos de la Tabla Periddica. En relacion al numero de neutrones tener en cuenta lo siguiente: a todos los z impares se les suma 1, menos el H y el N. Con respecto a los pares: ai berilio (z=4) se le suma 1 y a1 argon (z=18) se le suma 4. Una vez completada la tabla de la actividad 4 analizar la relacion que existe: 1. Entre el nljmero atomico, el nhmero de protones y el nljmero de electrones. 2. Entre: A (numero masico) y Z (nlimero atdmico). 3. iQue diferencia existe entre un elemento de IaTabla Periddica y el siguiente?

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A partir de la actividad 4, completar cada casillero de la figura 7 con 10s siguientes datos: n~imerosatomicos, simbolo del elemento y su configuraci6n electr6nica. Ver el ejemplo del carbono.

RGURA 7

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A partir de la actividad 5, responder las siguientes preguntas: 1. jQue tienen en comljn 10s elementos aue oertenecen a un mismo oeriodo? 2. ~ Q U Btienen en comlin 10s elementos que pertenecen a un mismo &upo? 3. i D e que dependen las propiedades quimicas de 10s elementos? 4. Para 10s quimicos, jes importante la configuracion electronica del ljltimo nivel? Justifique su respuesta.

Diagrama de Lewis En 10s ejercicios anteriores hemos llegado a la conclusi6n de que las propiedades quimicas de 10s elementos dependen de 10s electrones del ultimo nivel. Cuando Mendeleiev coloco, en un mismo grupo, a 10s elementos con propiedades similares, logr6 a partir de las propiedades obsewables llegar a las caracteristicas no visibles, corno la configuracion electr6nica del ultimo nivel. Por lo expuesto en el parrafo anterior, se utilizan con frecuencia en Quimica 10s llamados Diagramas de Lewis. El Diagrama de Lewis consiste en dibujar el simbolo quimico del elemento y representar con puntos o cruces 10s electronesdel ljltimo nivel. Ejemplo: el nitrogen0 tiene en el ~jltimonivel de energia cinco electrones, por lo tanto su representation seglin el Diagrama de Lewis es el siguiente:

Diagmma de Lewis del Omo de nitrogen0

.

m

ON* e

En la figura 8 esta representada una Tab!a Periodica reducida, es decir 10s 20 primeros casilleros. Representar en cada uno de ellos, seglin corresponda, el Diagrama de Lewis. Utilizar las conclusiones de la actividad 5 y la figura 8. Se da como referencia el Diagrama de Lewis del nitrdgeno.

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10s gases nobles Configuraciin electrinica y estabilidad. l a clave de las uniones uuimicas El primer gas noble fue descubierto por un quimico escoc6s. William Ramsay, en el aiio 1894, quien trabajaba en 10s laboratorios de Lord Rayleigh. Este quimico estaba interesado en un gas que se encontraba en el aire y que era mas estable que el nitr6geno. Ramsay lo identifico usando una tecnica desarrollada en esa epoca: la espectroscopia. Lo Ham6 argin, palabra que proviene del griego argos, que significa "inactive" y que hace alusion a sus propiedades quimicas. La estabilidad del argin, de no combinarse con otros elementos, fue el motivo para considerar que su valencia era cero. Luego se encontraron otros elementos con las mismas caracteristicas y se 10s ubico en un grupo llamado cero, por el motivo antes seiialado, a continuacidn de 10s halogenos. Las propiedades de 10s gases nobles dieron una pista muy importante respecto de las uniones entre 10s atomos. Coma las propiedades quimicas dependen de 10s electrones del ultimo nivel, se llego a la conclusi6n de que 10s atomos compartian o intercambiaban electrones hasta llegar a estructuras estables como l a d e 10s gases nobles.

Entre 1894 y 1898, en solo cuatro aiios, se descubrieron cinco gases nobles can la participation de William Ramsay. Ellos son, ademas del argon ya mencionado, el helio (1895), y 10s restantes: nelin, cript6n y xenon, en 1898. El radon, que es radioactivo. fue descubieito en 1900. por Dorn. En la figura 9 se encuentra representado el grupo "0" de la Tabla Periodica: 10s gases nobles o inertes. El dibujo muestra el simbolo de cada uno de ellos y 10s electrones del ljltimo nivel. Obseivar y analizar que caracteristicas tiene la configuraciiin electronica del ultimo nivel, relacionarias con sus propiedades quimicas y aplicar las conclusiones a 10s atomos de otros elementos, que no son estables.

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En la actividad 8 habra llegado a las siguientes conclusiones: 1. La estabilidad de 10s gases nobles se debe a la configuracidn electronica de la ljltima orbits, es decir, dos electrones, si existe solo un nivel y ocho para 10s restantes niveles. 2. Los demas atomos son inestables, necesitan combinarse con otro u otros para alcanzar la configuracibn electrbnica de 10s gases nobles. 3. Los que estan proximos al He, en la Tabla, seran estables con dos electrones en la primer brbita, el resto con ocho.

En este ejercicio le proponemos que o b s e ~ e10s Diagramas de Lewis de 10s elementos de 10s grupos I y VII, y 10s compare con el grupo "0". Luego responda: 1. iSon estables 10s elementos del grupo VII? iPor que? 2,iSon estables 10s elementos del grupo I?iPar que? 3. Un a t o m del grupoVII recibe un electrbn. Escriba la nueva configuracion electronica. i Q ~ t i c a r g aelectrica adquiere? iComo se llama? 4. Un atorno del grupo I pierde un electron. Escriba la nueva configuracidn electronica. iQue carga electrica adquiere? iComo se llama? 5. Las nuevas particulas formadas i q u e nombre tienen? i S e atraen o repelen? 6. iC6mo se llama la union quimica formada?

a.

.

:Kr: e

Si ha trabajado en la actividad 9, habra llegado a las siguientes conclusiones: 1. Los elementos de 10s grupos I y VII son inestables, al no tener una configuracidn estable como 10s gases nobles. 2.Si un atomo del grupo VII recibe un electron adquiere una configuracion de gas noble. A l recibir un electrbn queda cargado negativamente. Esta nueva particula recibe el nombre de: aniin. 3. SI un Btomo del grupo I pierde el electrbn de la ultima brbita, queda con una configuracibn electronica estable, de gas noble. Queda cargado positivarnente y recibe el nombre de: catiin.

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4. Las particulas cargadas electricarnente reciben el nornbre de iones. por eso 10s aniones y cationes son iones, palabra que deriva del griego y significa "viajero". 5. Los iones de cargas opuestas se atraen y se unen, por eso esta uni6n quirnica se conoce corno uniin innica.

Uniones ~uimicas Union ionica A partir del conocirniento de las configuraciones electr6nicas de 10s elernentos y de la estructura estable de 10s gases nobles, fue posible tener una idea mas clara de por que y corn0 se unen 10s atornos para forrnar sustancias simples y cornpuestas. Los atornos pueden alcanzar configuraciones estables de dos rnaneras basicas: cediendo-aceptando electrones o bien cornpartiendo. En la actividad 9 hernos realizado un ejercicio donde se ve con claridad c6rno un par de atomos, uno del grupo VII y otro del grupo I, pueden alcanzar estructuras de gases nobles, uno cediendo y otro aceptando electrones, dando origen a las uniones ionims. Quienes ceden electrones con facilidad son 10s rnetales y quienes 10s reciben son 10s llarnados no metales (ver caracteristicas de rnetales y no rnetales).

El sodio es un metal que cedesuelectron con facilidad.adquiriend0 la configuracian electronicadel gas noble mas proximo, el neon: Ne, y quedando con una carga positiva: ca66n.

I

El cloro es un no metal con 7 electrones en su ~jltimaorbita, que estan muy atraidos par la carga del nucleo. Puede captar un electron con facilidad, adquiriendo la configuracidn del gas noble mas priiximo, el argon. Ar y transformAndose en un ion negativo: anion.

Los siguientes pares de sustancias se unen por uniones ibnicas: a) M g y S; b) Ca y 0; c) Li y Br; d) A1 y F. 1. Dibujar el Diagrarna de Lewis para cada elernento. 2. lndicar con una flecha la transferencia de electrones. 3. lndicar las cargas que adquiere cada i6n que se ha forrnado.

las sustancias simules se dividen en dos grupos imp0rtantes:los metales y 10s no metales Los metales Los rnetales se caracterizan por las siguientes propiedades: 1. Son sblidos, a excepcidn del rnercurio, que es liquido.

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b. Esbuctura electmnica del amoniaco 1 . Oiagrarnas de Lewis de 10s atornos de nitrogen0 y de hidr6geno. 2. En la figura se rnuestran 10s electrones que forrnan el enlace covalente.

3. Se reemplaza el par de electrones cornpartido por un segmento que une 10s atomos:

.. .

O N * OH

e * H O N O H

0

El

..

H-N-H

I

H

H

c. Esbuctura electronica del metano 1. Diagramas de Lewis de 10s atomos de carhono y de hidrogeno. 2. En la figura se rnuestran 10s electrones que forrnan el enlace covalente. 3. Se reemplaza el par de electrones compartido por un segmento que une 10s atornos FIGUAA 14

8

H O C O H

0H

H

I

H-C-H

I

H

d. Estructura electronica del diixido de carbono 1. Diagramas de Lewis de 10s atomos de carbono y de oxigeno. 2. En la figura se rnuestran 10s electrones que forrnan el enlace covalente. 3. Se reemplaza el par de electrones cornpartido por un segmento que une 10s $tornos

I

I

Realizar las estructuras electr6nicas de las siguientes sustancias, indicando coma se unen 10s atornos entre sf: a) Fosfina: pH3 b) Silice: Si02 c) Sulfuro de hidrageno: SH2 d) Monoxido de azufre: SO e) Dioxido de azufre: SO2

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f) Trioxido de dinitrogeno: N203 En cada ejercicio realizar 10s siguientes pasos: 1. Dibujar 10s Diagramas de Lewis de 10s atomos que se combinan. 2. Representar 10s Diagramas de Lewis tantas veces como lo indica la fiirmula y seiialar como se forman los pares de electrones. 3. Escribir nuevarnente 10s simbolos quimicos de 10s elementos y reemplazar 10s pares de electrones por segmentos 4. Indicar, para cada elemento, la configuracion electronica del gas noble que adquiere ai combinarse con otro.

Union covalente dativa Pares de electrones no conpartidus: otra posihilidad de union covalente En la actividad 11 fueron analizados dos bxidos del azufre: el rnonoxido de azufre (SO) y el didxido de azufre (SO2), desde el punto de vista de las uniones quimicashterpretar las uniones del primero e s t i dentro de lo desarrollado hasta este momento, pero con el dioxido se presenta una dificultad: iComo colocar el segundo oxigeno?, ya que al ubicar el primero, el azufre adquiere una configuracion estable de 8 electrones. Este elemento queda con dos pares de electrones sin compartir. Sobre uno de estos pares se ubica el segundo oxigeno, per0 de tal forma que el azufre no modifica el numero de electrones que lo rodean. Los dos electrones de la nueva union le pertenecen. Es como si el azufre le prestara un electron a1 oxigeno y el colocara uno. Por ese motivo esta union se conoce con el nombre de uniin covalente dativa. Ver figura 16.

flGURA 16

Las uniones quimicas en el monixido de azufre

Diagramas de Lewis del azufre y riel oxigeno.

Se forrnan dos pares de electrones compartidos.

Representation de la union covalente doble por dos rayas.

Las uniones quimicas en el diuxida de azufre

O b s e ~ a la r ubicacion del segundo oxigeno y la distribucibn de sus electrones.

La unidn covalente dativa se indica con una flecha cuyo sentido es dador-aceptor.

Dibuje la estructura electronica de las formulas que se indican a continuacion: a) So3; b) N2 0,; c) C120; d) C1203; e)CI2o5y f) C1201 siguiendo 10s siguientes pasos: 1. Oiagramas de Lewis de 10s elernentos que secombinan. 2. lndicar 10s pares de electrones que se forrnan o 10s electrones que se transfieren.

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3. Marcar con una raya las uniones covalentes o con signos de + 6 -, como exponentes, las cargas que aparecen sobre los iones que se forman.

Union metalica La union metilica es el tercer tipo de union quimica, junto a la union ionica y a l a union covalente. La union metalica presenta una serie de caracteristicas con las que pueden explicarse las propiedades de estos elementos. Se considera que 10s electrones del liltimo nivel de 10s metales estan poco retenidos y se mueven libremente, generanda iones positivos, y que al desplazarse generan la union entre ellos. Uni6n fuerte, que se puede apreciar si tenemos en cuenta el elevado punto de fusion de 10s metales. Este tip0 de union explica que los metales sean brillantes, buenos conductores de la elecEl hierrofunde a 1528 TC. tricidad y del calor, que pierdan electrones y den cationes.

FIGURA 17

METALES

1 - 1

NO METALES I

I

NO METALES I

Cuadro donde se observa una sintesis de 10s tipos de uniones quimicas que forrnan 10s rnetales entre si, 10s no rnetales entre ellos y la ~ ~ n i dionica n cuando se unen metales v no rnerales.

Propiedades periodicas Las propiedades periodicas son aquellas que varian de una rnanera regular a lo largo de 10s periodos. Por ejemplo. el radio at6mico de 10s elementos del segundo periodo disminuye de izquierda a derecha, y esta caracteristica serepite en 10s periodos que le siguen Algunas propiedades peri6dicas son las siguientes: 1. Valencia. 2. Radio atbmico. 3. Caricter metalico 4. Energia de prirnera ionization. 5. Electronegatividad.

l a valencia, propiedad que avudi a Mendeleiev Cuando hablamos de Mendeleiev, recordamos que ordena 10s elernentos por sus rnasas atomicas relativas, per0 tuvo muy en cuenta las propiedades quimicas, puestas de rnanifiesto a traves de la valencia. Cuando habia divergencia entre ellos, el autor de la Tabla Peri6dica daba prioridad a la valencia.

/ El concept0 de valencia de un elemento,en su forma mas simple.se define como un nimem que indica cuantos itornos de hidrngeno i se combinan con un itomo del elemento considerado. Este nimem es siempre entem y positive.

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Por ejemplo, a partir de la formula del agua: H20, podernos decir que el oxigeno tiene valencia 2, pues un atomo de este eiernento se combina con dos atomos de hidrogeno. El nitrogen0 tiene valencia 3, nljmero que se deduce de la formula del arnoniaco: NH3, En la actualidad, teniendo en cuenta la importancia de 10s electrones en las uniones quimicas, transferencias en las uniones ionicas y desplazarnientos en las covalentes, es de utilidad el concept0 de numero de oxidaciun, que tiene en cuenta las situaciones antes mencionadas.

En la figura 18 se pueden observar 10s elementos del Tercer Periodo de la Tabla Periodica.

A partir de estos realizar la siguiente actividad: 1. Dibujar el Diagrama de Lewis para cada uno de ellos. 2. Seiialar corn0 se combinan con el hidrogeno, indicando si las uniones son ionicas o covalentes, y la estructura de que gas noble adquiere cada elemento. 3. Escribir la valencia de cada elemento del Tercer Periodo respecto al hidrogeno y representar en un par de ejes cartesianos la valencia de 10s misrnos en funcion del grupo al que pertenecen.

flGURA 18

Elementos del Tercer Periodo

Como en el ejerc~cioanterior, trabajaremos con 10s elementos del Tercer Periodo (ver figura 19).

A partir de 10s mismos realizar la siguiente actividad: 1. Dibuja el Diagrama de Lewis para cada uno de ellos. 2. Seiialar como se combinan con el oxigeno, indicando si las uniones son: ionicas, covalentes o covalentes dativas y la estructura de que gas noble adquiere cada elemento. 3. Escribir la valencia o las valencias de cada elemento del Tercer Periodo respecto al oxigeno y representar en un par de ejes cartesianos la valencia de 10s mismos en funcion del grupa al que pertenecen.

FIGUAA 19

Elementos del Tercer Periodo

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Elradio atimico: otra propiedad periidica Una propiedad periodica muy interesante es el radio atomico. O b s e ~ ac6mo r varia a lo largo de un periodo de la Tabla nos da importante informacian, que nos permite comprender otras propiedades coma el caracter metalico o la electronegatividad. Para comprender la variation del radio, tenemos que tener en cuenta que al avanzar de un elemento a otro, la carga nuclear aumenta y 10s electrones estan mas atraidos, por lo que disminuye el radio atbrnico. Por eso 10s atomos, a1 avanzar de izquierda a derecha en un periodo, es decir en el sentido creciente de las masas atomicas relativas, son cada vez mas pequeRos. En cambio, si bajamos a lo largo de un grupo, el tamaiio del radio aumenta, pues aumenta el numero de Clrbitas. Los atomos mas grandes estan en la parte inferior de la Tabla, del lado izquierdo, y 10s mas pequeiios en la parte superior, del lado derecho. En 10s elementos biatomicos, el radio se define corno la mitad de la distancia que separa sus nucleos. En el caso de 10s metales, es la mitad de la distancia que separa dos atomos vecinos. Tambien es importar~tetener en cuenta el llamado "efecto pantalla", es decir, la fuerza de atracc~onque ejerce la carga nuclear sobre 10s electrones externos esta disminuida por 10s electrones de las orbitas iderpuestas entre ambos.

UCURA 20

Radios almicos de 10s elementos dei Tercer Periodo en picimetro

Grupo I de la Tabla donde figuran 10s radios atomicos en picometros. Obse~arel caracter creciente de 10s mismos.

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Construcciin de una maqueta representativa de los radios atimicos Visualizar en una maqueta como varian 10s radios atornicos tiene su valor didactico. Por eso, en esta actividad 15, 10s alumnos conslruiran una maqueta de acuerdo con las siguientes instrucciones: 1. En la figura 22 se presentan 10s sinibolos de 10s elementos de 10s tres primeros periodos de la Tabla, y debajo el radio atomico correspondiente en pichmetro. 2.Sobre una madera de 20 centimetros por 10 y 1 centirnetro de espesor, aproximadamente, dibujar 10s casilleros correspondientes a lostres primeros periodos de la Tabla. 3. ConstrucciCln de 10s cilindros proporcionales a 10s radios atornicos: Los cilindros pueden tener un diametro de 1 centimetro aproximadamente. La altura de 10s misrnos debe ser proportional al radio atomico. Una forma f i c i l de respeiar la proporcionalidad es expresar los radios que figuran en la Tabla de la figura 22 en centirnetros y dividirlos por 10. De esta manera el cilindro que representa a1 hidrhgeno tendra una altura de 3.2 cm, el fluor 7.2 cm y el mayor s e r i el sodio con 18.6 cm. 4. Una vez construidos 10s cilindros se deben colocar en el centro de 10s casilleros correspondientes y fijarlos con un pegamento o tornillo.

.

El caracter metilico El caracter metalico de 10s elementos esta en funcidn de la mayor o menor facilidad que tiene un atorno para ceder electrones. Los atomos que tienen mayor facilidad para ceder electrones son 10s que estan al inicio de cada periodo. Son 10s que retienen con rnenorfuerza al electrdn del ljltimo nivel y por lo tanto su caracter metalico es mayor.

A medida que avanzamos hacia la derecha de la Tabla, crece la fuerza con que son retenidos 10s electrones y el caracter metalico disminuye.

FIGURA 23

El caracter metalico disminuye en el sentido de la flecha

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TEORICO PRACTICO Nยบ 4 - ISPS Nยบ 6005 23/29 FIGUAA 24

El caracter metalico aumenta al descender por un grupo

Los electrones del ultimo nivel son menos atraidos por el nuceo. al encontrarse a mayor distancia y tarnbier pcr el efecto pantalla que depende de 10s niveles que se interponen entre el0s. Por lo tanto el caracter metalico del cesio (Cs] es mayor que el del sodio (Nal, es decir, el primer0 cede 10s elect~onescon mas faciiidad y e s rnejor conductor del calor y de a electricidad.

Electroneuatividad (EN) Cuando se forrna una rnolecula de cloro, se unen dos atomos de este elernento a traves de un enlace covalente. Los electrones del parse cornparten igualmente por ambos atomos, quedando en una posicion equidistante, dec~rnosentonces que se ha forrnado un enlace covalenteno polar. En cambio, si un atorno de cloro se cornbina con un atorno de hidrdgeno, forrnando cloruro de hidrageno, la experiencia dernuestra que aparece una carga parcial negativa sobre el Atorno de cloro, indicando que el par de electrones ha sufrido un despIaranGento hacia su lado, y corno consecuencia, el hidrogeno queda con una carga parcial positiva. En este caso se ha forrnado un enlace covalente polar.

La figura 25 muestra la union de dos atomos de cloro. Al tenet igual electrone&vidad 10s electrones del parse u b i ~ can en el centro, y se forma una union covalenteno polar

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Lafigura 26 muestra la union eiitreu~iatorno de cloro y otro de hidr6geno. Los eectronesdel par se desplazan hacia el lado del cloro, que tiene mayor eectronegarividad, formando una uniin covalente polar.


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No ha habido una transfereocia total del eleclrun corno en el caso de la union idnica, por eso se habla de carga parcial. Electrunejatiuidad (EN) de un itorno es la propiedad que rnide la mayor o nienor atraccidn que ejerce sobre un par de electrones cornpartido en un enlace covalente. Por lo tanto, es una propiedad que se aplica sotarnenre a las uniones covalentes. A mayor electronegalividad rnenor facilidad para ceder electrones y mayor facilidad para aceptarlos. La electronegatividad esld relacionada con el caracter rnetdlico, en forma inversa. A mayor caracter rnetalico, menor electronegatividad. En general, a rnedida que avanzarnos por un period0 en el sentido creciente de su nurnero atdmico aumenta ta elecIronegatividad. Exislen excepciones en 10s elementos de transicidn. Al descender por un grupo, la electronegatividad disminuye. Los elementos mds electronegativos se encuentran en el dngulo superior derecho de la tabla: flOor. cloro, oxigeno, nilr6gen0, azulre, y en el Angulo inferior izqu~erdo,10s rnenos electronegativos. Si la diferencia de electronegatividad es mayor de 2, la uni6n es i6nica. Para que se ubique como covalente polar debe ser inferior a ese valor. Analizar la Tabla de electronegatividades de la figura 27 L

flGUAA 27

Tabla de electronejatividades

A partir de la Tabla de la figura 27, analizar 10s siguientes compuestos e indicar el tipo de uni6n que se ha formado; en el caso de que fuera covalente, indicar si la misma es covalente polar o no. Calcular la diferencia de electronegatividades en cada caso: a) HF; b) Hz; c) H20; d) NH3; el CI Na; f) H2S y g) CH4

Energia de primera ionization [EPI) La eneryia de primera iunizacib (EPI) es la rnenor energia que se debe suministrar a un atomo para extraer el electr6n mds debilmente ligado al misrno. El atomo debe encontrarse en el estado gaseoso y se debe especificar p r e s i h y ternperatura. El electron debe ser retirado hasta escapar de la alraccidn del nOcteo. El atomo se convierte en un catidn de una sola carga. La energia de primera ionizacidn aumenta en el mismo sentido en que lo hace la electronegatividad. Se necesita mas energia para extraer el electr6n clue estd mris debilmente retenido.

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A (gas) + EPI

, A+ (gas] + 1 e-

La energia de prlmera ionization se mide en: a) Joule / rnol b) Kilo joule / rnol

RGURA 28

Tabla de energia de primem ioniraciin (EPI) en kilo joule 1mol

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Actividades Actividades de evaluation I De Dobereiner a Moseley

1. Analice una de las Triadas de Dobereiner e indique las propiedades quimicas comunes y la relacion entre las masas atomicas relativas.

2. iQu6 importanc~ale atribuye a las Octavas de Newlans?

3. Relate 10s hechos personales que llevaron a Mendeleiev a descubrir la tabla periodica 4. iCual es la importancia de las masas atomicas relativas en 10s trabajos que llevaron a Mendeleiev a descubrir la ley periodica?

5. propiedad quimica result6 fundamental en el momenta de decidir la ubicacion de elementos que presentaban dificultades con la masa atomics relativa? 6. Mencione dos elementos de 10s que Mendeleiev dejo un espacio en la Tabla y predijo sus propiedades fisicas y quimicas, iComo resultaron las pred~ccionesdel sabio rum? De una explicacion de las predicciones. 7. Describa la Tabla Periodica y enuncie la ley perodica de Mendeleiev. 8. En relacion a 10s r a p s X: iQuien fue su descubridor? iEn que aiio? &on que aparato estaba experimentando? ~ C u aes l la importancia de 10s rayos X en el carnpo de la Medicina? i Y en el mundo de la Quimica?

9. lndique el trabajo realizado par el fisico Henry Moseley y exprese el enunciado de la ley periodica de MendeleievMoseley.

10. iCual es el significado del nlimero at6rnico Z? iPor que al aumentar z aumenta la energia de 10s rayos X emitidos por el elemento?

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TEORICO PRACTICO Nยบ 4 - ISPS Nยบ 6005 27/29

Actividades de evaluation II 1. iCuales fueron 10s hechos que llevaron a abandonar el modelo de Dalton? 2. Enuncie 10s postulados del modelo de Rutherford-Bohr. 3. Dibuje el modelo planetario de 10s siguientes atornos e identifique su simbolo quimico. alz=3;b) z = 1 1 ; c ) z = 1 7 ; d ) z = 2 0 ; e ) z = 3 2 y f ) z = 8 .

4. A partir del ejercicio 3, dibuje el Diagrama de Lewis de cada uno de 10s atomos que figuran en el mismo. 5. iQue tienen en c o m b 10s elementos que pertenecen a un mismo periodo? i Y 10s elementos que pertenecen a un mismo grupo?

6. iCudl es la importancia de la estructura de 10s gases nobles? 'Que consecuencia se extrae de esto?

7. Teniendo en cuenta 10s ejercicios 3 y 4 explique c6mo se unen 10s elementos: 3b y 3f y 3c con 3f L Q Utip0 ~ de union forman?

8. Seiiale las caracteristicas mas relevantes de 10s metales y no metales

9. Explique con ejemplos que es una uni6n covalente: simple, doble, triple y dativa. 10. Realice las diagramas explicativos de las uniones de las siguientes sustancias: a) H2S; h) pH3; c) Si02; d) Br20.

11. Explique entre qu6 clase de elementos se realizan las siguientes uniones: ibnica, covalente, met8lica.

Actividades de evaluacion Ill 1. iOu6 caracteristicas tienen las propiedades periodicas? Enumere las mas comunes. 2. Exprese el concept0 de valencia y explique con ejemplos c6mo varia la valencia con respecto al hidrdgeno a lo largo de un periodo.

3. iC6mo varia el radio atomic0 a lo largo de un grupo? i Y a lo largo de un periodo?

4. Explique que entiende por "efecto pantalla" y cual es el efecto sobre el radio atomic0 y la energia de primera ionizacion.

5. iEn que consiste el caracter metalico? iC6mo varia a lo largo de un periodo?iY al bajar par un grupo? ~Dondese encuentran 10s elementos que presentan mayor caracter metalico?

6. iQue relacion existe entre el caracter rnetalico y el radio atomico? 7. Defina electronegatividad. iC6mo varia a lo largo de grupos y periodos? 8. iCual es la diferencia de electronegatividad que nos indica que, a partir de alli, las uniones son ibnicas? De dos ejemplos.

9. D6 ejemplos de uniones covalentes: simples, dobles, triples y dativas, y de covalentes: polares y no polares.

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TEORICO PRACTICO Nยบ 4 - ISPS Nยบ 6005 28/29

10. a) Defina energia de primera ionization (EPI). b) Analice la Tabla de la figura 28 y realice un grafico de la EPI en funcion del grupo, para el Tercer Periodo C)idem para el grupo II en funcion de 10s periodos. Si existen irregularidades seiiale cuales son y de m a posible explication de las mismas.

Actividades de evaluacinn! I Tabla periidii Unir con flechas 10s conceptos relacionados de ambas columnas.

La valencia de 10s elementos.

I

Antecedentes de la Tabla Peri6dica de Mendeleiev

Triadas de Dobereiner Octavas de Newlans

Propiedad ordenadora de Tabla Pefi6dica de Mendeleiev

Elernentos descriptos por Mendeleiev antes de su descubrimiento.

Ley Periodica de Mendeleiev(l869)

I

.na prop eoao q. rn ca oe os e ernenros q.e ayboc a M e w e i e , a .:.car os correcramenle

I

2: ndmero atomic0

I

Las propiedades fisicas y quimicas de 10s elementos son funciones periodicas de su masa at6mica relativa.

Galio y Germanio

Ley Periodica de Mendeleiev-Moseley

Ndmero de orden en la Tabla Periodica

I I Masa atomica relativa

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Las propiedades fisicas y quirnicas de 10s elementos son funciones peri6dicas de su nijrnero at6rnico.


TEORICO PRACTICO Nยบ 4 - ISPS Nยบ 6005 29/29

Actividades de evaluacionV Modelo de R~thedord-Rohr.Uniones quimicas Unir con flechas los conceotos relacionados de ambas columnas,

Modela atomico de Rutherford-Bohr

Simbolo quimico d e elemento y los electrones del ~Oitimon ~ v e l

La clave de la estabilidad de 10s elementos

Un metal y un no metal se unen por unlones...

La materia concentrada en el nucleo y ios electrones movietidose en niveles de energia

Los elementos que perteneceii a un mismo grupo

I

I

Las propiedades qumlcas de 10s elementas dependen de

I

Covalentes

Configuraclon electrbnica de 10s gases nobies

Tienen la misma configuracidn eiectrdnica en el ultimo nivel.

I

Los no metales se m e n por medio de unianes ...

lonicas

La canfiguracidn electronics del ultimo nivel de energia.

"Mar de electrones" rodean a 10s cationes.

El n h e r o de niveles de energia.

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I

Union metalica

Las elementas que pertenecen a un mismo period0 tienen en comun:

I

I


Tabla periódica