química inorgánica descriptiva, segunda edición [geoff rayner canham]

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  • Na K Ca

  • 1 2TABLA PERiDICA DE LOS ELEMENTOS

    11H

    1.0079

    23 4Li Be6.94 9.01

    11 12Na Mg

    22.99 24.31 3 4 5 6 7 8 9

    I

    19 20 21 22 23 24 25 26 27K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co

    39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 52.00 54.94 55.85 58.93

    37 38 39 40 41 42 43 44 45Rb Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rh

    85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 98.91 101.07 102.91

    55 56 71 72 73 74 75 76 77Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir

    132.91 137.34 174.97 178.49 180.95 183.85 186.2 190.2 192.2

    87 88 103 104 105 106 107 108 109Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt223 226.03 262.1

    ~

    57 58 59 60 61La Ce Pr Nd Pm

    138.91 140.12 140.91 144.24 146.92

    89 90 91 92 93as masas molares citadas con el nmero Ae Th Pa U Npcifras significativas que se dan aqu se

    227.03 232.04 231.04 238.03 237.05eden considerar como representativascasi todas las muestras naturales.

    310

    4

    5

    6

    7

    *Ldepude

    ll(Uu

    28Ni

    58.

    46Pd

    106

    78Pi

    195.'

    62Sn

    150.

    94PI

    239.

    http://carlos2524.jimdo.com/

  • 13 15 1714 16

    2He4.00

    5 6 7 8 9 10B C N O F Ne

    10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18

    13 14 15 16 17 1810 11 12 Al Si P S CI Ar

    26.98 28.09 30.97 32.06 35.45 39.95

    28 29 30 31 32 33 34 35 36Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

    58.71 63.54 65.37 69.72 72.59 74.92 78.96 79.91 83.80

    46 47 48 49 50 51 52 53 54Pd Ag Cd In Sn Sb Te 1 Xe106.4 107.87 112.40 114.82 118.69 121.75 127.60 126.90 131.30

    78 79 80 81 82 83 84 85 86Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn

    195.09 196.97 200.59 204.37 207.19 208.98 210 210 222

    Metales No metales )110 111 112

    rUun Uuu UubSemimetales

    62 63 64 65 66 67 68 69 70Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb

    150.35 151.96 157.25 158.92 162.50 164.93 167.26 168.93 173.04

    94 95 96 97 98 99 100 101 102Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No

    239.05 241.06 247.07 249.08 251.08 254.09 257.10 258.10 255

    18

    Lantanoides

    Actinoides

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  • http://carlos2524.jimdo.com/

  • QJtmica . /. tnorgantca descriptiva

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  • ..

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  • Qumica . /. tnorgantca descriptiva

    Segunda edicin

    Geoff Rayner-Canham Sir Wilfred Grenfell College

    Memorial U niversity

    TRADUCCIN: Roberto Luis Escalona Garca M. en C. Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de Mxico Traductor profesional

    Hctor Escalona y Garca Maestro en Ciencias, Facultad de Qumica, Universidad Nacional Autnoma de Mxico

    REVISIN TCNICA: Silvia Bello Garcs Profesora titular, Facultad de Qumica, Universidad Nacion;,l Autnoma de Mxico

    Pearson Educacin ----

    MXICO ARGENTINA BRASIL COLOMBIA COSTA RICA CHILE ESPAA GUATEMALA PER PUERTO RICO VENEZUELA

    .1

    ...

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  • / Datos de catalogacin bibliogrfica

    Rayner-Canham, Geoff

    Qumica inorgnica descriptiva, 2da. edicin

    PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2000 ISBN: 968-444-385-4 rea: Universitarios

    Formato: 20 X 25 .5 cm Pginas: 624

    Versin en espaol de la obra titulada Descriptive inorganic chemistry, Second Edition, de Geoff Rayner-Canham, publicada originalmente en ingls por W. H. Freeman and Company, New York, NY, USA.

    Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

    First published in the United States by W. H. FREEMAN AND COMPANY, New York, New York and Basingstoke Copyright 2000 by W. H. Freeman and Company ALl rights Reserved

    ISBN 0-7167-3553-9

    Edicin en espmlol: Editora: Roxana Martn-Lunas Editor de desarrollo: Jorge Bonilla Talavera Supervisor de produccin: Magdiel Gmez Marina

    Edicin en ingls: Publisher: MichelJe Russel JuJet Cover Design: Matjory Dressler Photo-Graphics Production Coordinator: Paul W. Rohloff Manufacturing: Hamilton Printing Company Text Design and Composition: The PRD Group Executive Marketing Manager: Kimberly Manzi

    SEGUNDA EDICIN, 2000

    D.R. 2000 por Addison Wesley Longman de Mxico, S.A. de c.Y. Calle 4 Nm. 25-2do. piso Fracc. Industrial Alce Blanco 53370 Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico

    Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. Nm. 1031.

    Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.

    El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes . .;

    ISBN 968-444-385-4

    Impreso en Mxico. Printed in Mexico .

    1234567890

    Pearson Educacin -----

    030201 00

    ...... UTOGRAFICA INGRAMEX, SA DE C.V. CENTENO NO. 162-1 MEXlCO,OJ. c.P. 09810

    mi

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  • -Captulo 1 Captulo 2 Captulo 3 Captulo 4 Captulo 5 Captulo 6 Captulo 7 Captulo 8 Captulo 9

    Captulo 10 Captulo 11 Captulo 12 Captulo 13 Captulo 14 Captulo 15 Captulo 16 Captulo 17 Captulo 18 Captulo 19 Captulo 20 Captulo 21

    Resumen de contenido

    Prefacio xxiii La estructura electrnica del tomo: un repaso 1 Perspectiva general de la tabla peridica 17 El enlace covalente 37 El enlace metlico 65 El enlace inico 75 Termodinmica inorgnica 93 Hidrgeno 114 cidos y bases 131 Oxidacin y reduccin 153

    /

    Elementos del grupo 1: los metales alcalinos 180 Elementos del grupo 2: los metales alcalinotrreos 207 Los elementos del grupo 13 225 Los elementos del grupo 14 248 Los elementos del grupo 15 296 Los elementos del gnipo 16 338 Los elementos del grupo 11: los halgenos 379 Los elementos del grupo 18: los gases nobles 408 Introduccin a los complejos de los metales de transicin 418 Propiedades de los metales de transicin 455 Los elementos del grupo 12 504 Las tierras raras y elementos actinoides 518 Apndices 530 ndice 571

    Suplemento Aplicaciones de la qumica inorgnica

    vii

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  • Contenido

    Prefacio XXlll

    Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso La ecuacin de onda de Schrodinger y su significado 3

    Espectroscopia de absorcin atmica 3 Formas de los orbitales atmicos 6

    Los orbitales s 6 Los orbitales p 7 Los orbitales d 8 Los orbitales f 9

    El tomo poli electrnico 9 Llenado de los orbitales s 9

    Configuraciones electrnicas de los iones 13 Propiedades magnticas de los tomos ~ 4 Ejercicios 15 Ms all de lo bsico 16 Recursos adicionales 16

    Captulo 2 Perspectiva general de la tabla peridica Organizacin de la tabla peridica moderna 19 Existencia de los elementos 21 Estabilidad de los elementos y de sus istopos 22

    Origen del modelo de capas del ncleo 24 Clasificaciones de los elementos 25

    1

    17

    ix

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  • x Contenido

    Propiedades peridicas: radio atmico 27 Reglas de Slater 29 Efectos relativistas 30

    Propiedades peridicas: energa de ionizacin 30 Propiedades peridicas: afinidad electrnica 32 Bioqumica de los elementos 33 Ejercicios 35 Ms all de lo bsico 36 Recursos adicionales 36

    Captulo 3 El enlace covalente Introduccin a la teora del orbital molecular 38 Orbitales moleculares de las molculas diatmicas del periodo 1 40 Orbitales moleculares de las molculas diatmicas del periodo 2 42 Orbitales moleculares de molculas diatmicas heteronucleares 46 Teora de Lewis 48 Orden de enlace parcial 48 Carga formal 49 Teora de la repulsin de los pares electrnicos de la capa de valencia 50

    Geometra lineal 50 Geometra trigonal 50 Geometra tetradrica 51 Geometra bipiramidal trigonal 52 Geometra octadrica 53 Ms de seis direcciones de enlace 54

    Teora del enlace valencia 54 Hibridacin de orbitales 55

    Sustancias reticulares 57 Fuerzas intermoleculares 57

    la falsa tesis de los gemelos moleculares 58 Fuerzas de dispersin (de London) 58 Electronegatividad 59 Fuerzas dipolo-dipolo 60 Puentes de hidrgeno 61 Formacin de enlaces covalentes y la tabla peridica 62 Ejercicios 62 Ms all de lo bsico 63 Recursos adicionales 64

    Captulo 4 El enlace metlico Enlaces metlicos 65 Modelos ne enlace 66 Estructura de los metales 69 Celdas unitarias 70 Aleaciones 71

    Amalgama de mercurio en los dientes 72 Ejercicios 73 Ms all de lo bsico 74 Recursos adicionales 74

    37

    65

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  • Contenido

    Captulo 5 El enlace inico Caractersticas de los compuestos inicos 76 Modelo inico y tamao de los tomos 76

    Tendencias de los radios inicos 77 Tendencias en los puntos de fusin 77

    Polarizacin y covalencia 77 Hidratacin de iones 79 Red inica 81

    El caso cbico 82 El caso octadrico 83 El caso tetradrico 83 Semiconductores y la estructura de blenda de zinc 84 Excepciones a las reglas de empaque 85 Estructuras cristalinas con iones poliatmicos 86

    Tringulo del enlace 87 Tendencias peridicas en la formacin de enlaces 88

    Tendencias de formacin de enlaces en los elementos del segundo periodo 88

    Tendencias de formacin de enlaces en los elementos del tercer periodo 89

    Tendencias de los fluoruros de los elementos de los periodos segundo y tercero 90

    Ejercicios 90 Ms all de lo bsico 91 Recursos adicionales 92

    Captulo 6 Termodinmica inorgnica Termodinmica de la formacin de compuestos 93

    Entalpa 94 Entropa 94 Fuerza impulsora de una reaccin 94 Entalpa de formacin 96 Energas (entalpas) de enlace 96 Energas (entalpas) reticulares 97 Entalpas de atomizacin 99 Cambios de entropa 99

    Formacin de compuestos inicos 99 Ciclo de Born-Haber 101 Termodinmica del proceso de disolucin de compuestos inicos 103

    Energa reticular 103 Energa de hidratacin 103 Cambio energtico del proceso de disolucin 104

    Compresas calientes y fras 106 Formacin de compuestos covalentes 106 Factores termodinmicos versus factores cinticos 107 Ejercicios no Ms all de lo bsico 111 Recursos adicionales 113

    xi

    75

    93

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  • xii Contenido

    Captulo 7 H idrgeno -------------------------------------------------

    114

    Istopos del hidrgeno 115 Resonancia magntica nuclear 116

    Los istopos en qumica 117 Propiedades del hidrgeno 118 Preparacin de dihidrgeno 120 H idruros 120

    Hidruros inicos 121 Hidruros covalentes 121 Hidruros metlicos (del bloque d) 125

    El dihidrgeno como combustible 125 Agua y puentes de hidrgeno 126 Aspectos biolgicos de los puentes de hidrgeno 127 Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 129 Ejercicios 129 Ms all de lo bsico 130 Recursos adicionales 130

    Captulo 8 cidos y bases 131

    Captulo 9

    Teora de Br0nsted-Lowry 131 Constantes de equilibrio cido-base 133 Acidos de Br0nsted-Lowry 134

    Acidos binarios 135 Oxocidos 136 Acidos poliprticos 136 Iones cidos de metales 137

    Bases de Br0nsted-Lowry 137 Tendencias en el comportamiento cido-base 138 Reacciones cido-base de los xidos 139 Teora de Lewis 140 Conceptos de cidos- bases duros- blandos de Pearson 141

    Supercidos 142 Aplicaciones del concepto ABDB 144 Aplicacin del concepto ABDB al anlisis cualitativo El concepto ABDB en geoqumica 146 Interpretacin del concepto ABDB 148

    Aspectos biolgicos 148 Ejercicios 149 Ms all de lo bsico 151 Recursos adicionales 152

    Oxidacin y reduccin Terminologa redox 154 Reglas para definir el nmero de oxidacin 154

    145

    153

    Determinacin de nmeros de oxidacin a partir de electronegatividades 155 Diferencia entre nmero de oxidacin y carga formal 157 Variaciones peridicas de los nmeros de oxidacin 158 Ecuaciones redox 159

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  • Contenido xiii

    Aspectos cuantitativos de las semirreacciones 161 Nitrato de amonio 162

    Potenciales de electrodo como funciones termodinmicas 164 Diagramas de Latimer (potencial de reduccin) 165 Diagramas de Frost (de estados de oxidacin) 167 Diagramas de Pourbaix 168 Diagramas de Ellingham y extraccin de metales 170 Aspectos biolgicos 174 Ejercicios 176 Ms all de lo bsico 179 Recursos adicionales 179

    Captulo 10 Elementos del grupo 1: los metales alcalinos Tendencias de grupo 181 Caractersticas comunes de los compuestos de los metales alcalinos 182

    Carcter inico 182 Estabilizacin de aniones grandes con carga baja 182 Hidratacin de iones 182 Solubilidad 183

    Aniones de metales alcalinos 183 Solubilidad de sales de metales alcalinos 184 Colores a la flama 186 Litio 186 Sodio 189 Potasio 190 xidos 191 Hidrxidos 192

    Preparacin del hidrxido de sodio 193 Usos del hidrxido de sodio 195

    Cloruro de sodio 196 Cloruro de potasio 196

    Sustitutos de la sal 197 Carbonato de sodio 198

    Preparacin del carbonato de sodio 198 Usos del carbonato de sodio 199

    Hidrogenocarbonato de sodio 200 Reaccin con amoniaco 200 Amonio como ion de pseudo metal alcalino 201 Similitudes entre el litio y los metales alcalinotrreos 201 Aspectos biolgicos 202

    Ellio y la salud mental 203 Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 204 Ejercicios 204 Ms all de lo bsico 205 Recursos adicionales 206

    180

    CaptulO 11 Elementos del grupo 2: los metales alcalinotrreos 207 Tendencias grupales 208 Caractersticas comunes de los compuestos de los metales alcalinotrreos 209

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  • xiv Contenido

    Carcter inico 209 Hidratacin de iones 209

    Solubilidad de las sales de los metales alcalinotrreos 209 Berilio 211 Magnesio 212 Calcio y bario 214 xidos 215 Hidrxidos 217 Carbonato de calcio 216

    Cmo se form la dolomita? 217 Cemento 218 Cloruro de calcio 219 Sulfatos de magnesio y de calcio 219 Carburo de calcio 220 Similitudes entre el berilio y el aluminio 221 Aspectos biolgicos 222 Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 222 Ejercicios 223 Ms all de lo bsico 224 Recursos adicionales 224

    Captulo 12 Los elementos del grupo 13 Tendencias grupales 225 Boro 226 Boranos 227

    Fibras inorgnicas 228 Tetrahidruroborato de sodio 229 Trifluoruro de boro 230 Tricloruro de boro 230

    Un punto de vista diferente de los enlaces del trifluoruro de boro 231 Anlogos boro-nitrgeno de los compuestos de carbono 231 Aluminio 233

    Propiedades qumicas del aluminio 234 Produccin de aluminio 235

    Halogenuros de aluminio 238 Sulfato de aluminio y potasio 239 Espinelas 239 El talio y el efecto del par inerte 241 Similitudes entre el boro y el silicio 243 Aspectos biolgicos 243 Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 244 Ejercicios 245 Ms all de lo bsico 246 Recursos adicionales 247

    Captulo 13 Los elementos del grupo 14 Tendencias grupales 249 Carbono 249

    Diamante 250

    225

    248

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  • Contenido

    Grafito 251 Fulerenos 253 Carbono impuro 255

    Istopos del carbono 255

    El descubrimiento del buckminsterfulereno 256 La extensa qumica del carbono 257 Carburos 258

    Carburos inicos 258 Carburos covalentes 258 Carburos metlicos 259

    Monxido de carbono 259 Aplicaciones de la qumica inorgnica

    Metal con memoria: la forma del porvenir Quimiosntesis: Qumica redox en lecho marino Concreto: un antiguo material con un nuevo futuro Nuevos minerales: ms all de las limitaciones de la geoqumica Cosmoqumica: lo, la luna rica en azufre Tecnecio: un elemento escaso con un importante uso mdico Vidrio: botellas antiguas y lentes modernas

    Dixido de carbono 261

    El dixido de carbono como fluido supercrtico 263

    Dixido de carbono, el gas asesino 265 Hidrogenocarbonatos y carbonatos 266

    Hidrogenocarbonatos 266 Carbonatos 266

    Disulfuro de carbono 267 Sulfuro de carbonilo 267 Tetrahalogenuros de carbono 268 Clorofluorocarbonos 269 Metano 271 El efecto invernadero 272 Cianuros 274 Silicio 276 Dixido de silicio 277

    Gel de slice 277 Aerogeles 278

    Vidrios 278 Silicatos 279 Zeolitas 282

    Las zeolitas como intercambiado res de iones 282 Las zeolitas como agentes de adsorcin 282 Zeolitas para separacin de gases 283 Las zeolitas como catalizadores 283

    Cermica 284 Silicones 284 Estao y plomo 285 xidos de esta'io y de plomo 287 Cloruros de estio y plomo 288 Tetraetilplomo 289 Aspectos biolgicos 290

    Ciclo del carbono 290

    xv

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  • xvi Contenido

    Por qu es indipensable el silicio 291 Toxicidad del estao 291 El grave peLigro del plomo 291

    Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 292 Ejercicios 292 Ms all de lo bsico 294 Recursos adicionales 295

    Captulo 14 Los elementos del grupo 15 Tendencias grupales 297 Comportamiento peculiar del nitrgeno 298

    Alta estabilidad de los enlaces mltiples 298 Limitaciones en la formacin de enlaces 299 Mayor electronegatividad 300

    Nitrgeno 300 Propergoles y explosivos 301

    Perspectiva general de la qumica del nitrgeno 302 Amoniaco 303

    El primer compuesto de dinitrgeno 304 Fertilizantes nitrogenados y sntesis industrial de amoniaco 306

    Descubrimiento del proceso Haber 306 Haber y la moralidad cientfica 307

    El proceso Haber-Bosch moderno 307 El ion amonio 309 Otros hidruros de nitrgeno 310

    Hidrazina 310 Azida de hidrgeno 311

    xidos de nitrgeno 312 xido de dinitrgeno 312 Monxido de nitrgeno 312 Trixido de dinitrgeno 314 Dixido de nitrgeno y tetrxido de dinitrgeno 314 Pentxido de dinitrgeno 316

    El radical nitrato 316 Halogenuros de nitrgeno 317 cido nitroso 317 cido ntrico 318 Nitritos 319 Nitratos 320 Perspectiva general de la qumica del fsforo 321 Altropos del fsforo 322 Extraccin industrial del fsforo 323 Fsforos 324

    Nauru, la isla ms rica del mundo 325 Fosfina 325 xidos de fsforo 326 Cloruros de fsforo 326 Oxicloruro de fsforo 328

    296

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  • Contenido xvii

    Oxocidos comunes del fsforo 328 cido fosfrico 329

    Fosfatos 330 Aspectos biolgicos 332

    Nitrgeno 332 Fsforo 332 Arsnico 332

    La "bala mgica" de Paul Erhlich 333 Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 333 Ejercicios 334 Ms all de lo bsico 335 Recursos adicionales 337

    Captulo 15 Los elementos del grupo 16 Tendencias grupales 339 Comportamiento peculiar del oxgeno 339

    Istopos del oxgeno en geologia 340 Alta estabilidad de los enlaces mltiples 340 Falta de compuestos con cadena 341

    Oxgeno 341 Dioxgeno 341 Trioxgeno (ozono) 344

    El enlace en los compuestos covalentes del oxgeno 347 Tendencias en los compuestos del oxgeno 348 xidos de metales mixtos 349 Agua 350 Perxido de hidrgeno 352 Hidrxidos 353 El radical hidroxilo 354 Azufre 355 Altropos del azufre 356 Extraccin industrial del azufre 357 Sulfuro de hidrgeno 359 Sulfuros 360 xidos de azufre 362

    Dixido de azufre 362 Los enlaces disulfuro y el cabello 362

    Trixido de azufre 364 cido sulfrico 364

    El cido sulfrico como cido 365 El cido sulfrico como agente deshidratan te 365 El cido sulfrico como agente oxidante 365 El cido sulfrico como agente sulfonante 365 El cido sulfrico como base 365

    Sntesis industrial del cido sulfrico 366 Sulfitos 367 Sulfatos 368 Hidrogenosulfatos 369 Tiosulfatos 369

    338

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  • xviii Contenido

    Peroxodisulfatos 370 La qumica de la fotografa 371

    Hexafluoruro de azufre 371 Ou'os halogenuros de azufre 372 Compuestos de azufre y nitrgeno 373 Selenio 373 Aspectos biolgicos 374

    Oxgeno 374 Azufre 374 Selenio 374

    Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 375 Ejercicios 375 Ms all de lo bsico 377 Recursos adicionales 378

    Captulo 16 Los elementos del grupo 17: los halgenos Tendencias grupales 380 Comportamiento peculiar del flor 382

    Debilidad del enlace flor-flor 382 Limitaciones del enlace 382 Alta electronegatividad del flor 382 Naturaleza inica de muchos fluoruros 382 Altos estados de oxidacin en fluoruros 382 Diferencias en las solubilidades de los fluoruros 382

    Flor 383 Cloro 385 Fluoruro de hidrgeno y cido fluorhdrico 387 cido clorldrico 390 Halogenuros 391

    Halogenuros inicos 391 Halogenuros covalentes 393

    xidos de los halgenos 394 Oxocidos y oxoaniones del cloro 396 cido hipocloroso y ion hipoclorito 396

    Qumica de las albercas 398 El ion clorato 399 cido perclrico y ion perclorato 400

    Descubrimiento del ion perbromato 401 Compuestos interhalgenos y iones polihalogenuro 402 Pseudohalgenos 403 Aspectos biolgicos 404

    Flor 404 Cloro 404 Bromo 404 Yodo 405

    Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 405 Ejercicios 406 Ms all de lo bsico 407 Recursos adicionales 407

    <

    379

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  • Contenido

    Captulo 17 Los elementos del grupo 18: los gases nobles Tendencias grupales 409 Caractersticas singulares del helio 409 Usos de los gases nobles 410 Clatratos 411 Breve historia de los compuestos de los gases nobles 412 Fluoruros de xenn 412 xidos de xenn 414 Aspectos biolgicos 415 Diagrama de flujo de reaccin del elemento 416 Ejercicios 416 Ms all de lo bsico 417 Recursos adicionales 417

    xix

    408

    Captulo 18 Introduccin a los complejos de los metales de transicin 418 Metales de transicin 419 Complejos de metales de transicin 419 Estereoqumica 420

    Ligantes 421 Ligantes y estados de oxidacin de los metales de transicin 422

    Isomera en complejos de metales de transicin 422 Estereoisomera 423 Isomera estructural 424

    Los complejos de platino y el tratamiento del cncer 425 Nomenclatura de complejos de metales de transicin 426

    Ejemplos 426 El sistema de nomenclatura Ewens-Bassett 427

    Generalidades de las teoras de enlace de los compuestos de metales de transicin 428 La regla de los 18 electrones 429 Teora del enlace valencia 429

    Teora del campo cristalino 430 Complejos octadricos 431 Complejos tetradricos 434 Complejos cuadrados 434

    xitos de la teora del campo cristalino 435 Propiedades magnticas 435 Colores de los complejos de metales de transicin 435 Entalpas de hidratacin 437 Estructuras de espinela 437

    Ms sobre espectros electrnicos 438 Teora de orbitales moleculares 439

    Compuestos metal-carbonilo 443 Qumica organometlica 444

    Compuestos de los grupos principales 444 Compuestos de metales de transicin 445 Los compuestos organometlicos como catalizadores 447

    Equilibrios de coordinacin 449 Factores termodinmicos vs. cinticos 449

    Complejos de coordinacin y el concepto ABDB 450

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  • xx Contenido

    Aspectos biolgicos 451 Ejercicios 452 Ms all de lo bsico 453 Recursos adicionales 454

    Captulo 19 Propiedades de los metales de transicin Generalidades de los metales de transicin 456

    Tendencias grupales 456 Estabilidad comparativa de los estados de oxidacin

    de los metales de transicin del periodo 4 458 Grupo 4: Titanio, zirconio y hafnio 459

    Titanio 459 xido de titanio(IV) 460 Zirconio 460

    Grupo 5: Vanadio, niobio y tantalio 461 Estados de oxidacin del vanadio 461 Aspectos biolgicos 462

    Grupo 6: Cromo, molibdeno y tungsteno 462 Croma tos y dicromatos 462 xido de cromo(VI) 465 Cloruro de cromilo 465 Similitudes entre los compuestos de cromo(VI) y azufre(VI) 466 xido de cromo(IlI) 466 Cloruro de cromo(IIl) 467 Sulfuro de molibdeno(IV) 467 Tungsteno 467 Aspectos biolgicos 468

    Grupo 7: Manganeso, tecnecio y renio 468 Estados de oxidacin del manganeso 468 Permanganato de potasio 469 xido de manganeso(VII) 471

    455

    Similitudes entre los compuestos de manganeso(VII) y cloro(VII) 471 Manganato de potasio 471 xido de manganeso(IV) 471 Compuestos de manganeso(Il ) 471 Aspectos biolgicos 472

    Minas en el fondo del mar 472 Hierro 473

    Produccin de hierro 473 Compuestos de hierro(VI) 476 Compuestos de hierro(IlI) 476 Similitudes entre los iones hierro(IlI) y aluminio 478 Compuestos de hierro(Il) 479 El proceso de corrosin del hierro 480 xidos de hierro 480 Ferritas 481 Aspectos biolgicos 482

    Cobalto 483 Compuestos de cobalto(IlI) 483 Compuestos de cobalto(Il) 484

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  • Contenido xxi

    Aspectos biolgicos 485 Nquel 485

    Extraccin del nquel 485 Compuestos de nquel(II) 486 Estereoqumica octadrica vs. tetradrica 486 Aspectos biolgicos 486

    Los metales del grupo del platino 487 Catlisis heterognea 487

    Grupo 11: Cobre, plata y oro 489 Extraccin del cobre 489 Compuestos de cobre(II ) 492 Efecto Jahn-Teller 493 Compuestos de cobre(I) 493 Plata 495 Compuestos de plata 495 Oro 497 Aspectos biolgicos 497

    Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 498 Ejercicios 499 Ms all de lo bsico 501 Recursos adicionales 503

    Captulo 20 Los elementos del grupo 12 Tendencias grupales 505 Zinc y cadmio 505

    Extraccin del zinc 505 Sales de zinc 507

    Conservacin de libros 508 xido de zinc 509 Comparacin del zinc y el magnesio 509 Sulfuro de cadmio 510 Similitudes entre los elementos del grupo 12 y los

    del grupo 14 510 Mercurio 510

    Extraccin del mercurio 510 Compuestos de mercurio(II ) 511 Compuestos de mercurio(I ) 512

    Bateras 512 La batera alcalina 512 La celda de mercurio 513 La batera NiCad 513

    Aspectos biolgicos 513 Por qu es indispensable el zinc 513 La toxicidad del cadmio 514 Los muchos peligros del mercurio 514

    Diagramas de flujo de reacciones de los elementos 515 Ejercicios 515 Ms all de lo bsico 516 Recursos adicionales 517

    504

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  • xxii Contenido

    Captulo 21 Las tierras raras y elementos actinoides 518

    Apndices

    ndice

    Propiedades de los elementos de las tierras raras 520 Propiedades de los actinoides 523 Extraccin del uranio 525

    Un reactor de fisin natural 526 Los elementos postactinoides 527 Ejercicios 528 Ms all de lo bsico 529 Recursos adicionales 529

    Un crucigrama de elementos 530 Apndice 1 Apndice 2 Propiedades termodinmicas de una seleccin de compuestos

    inorgnicos 534 Apndice 3

    Apndice 4 Apndice 5 Apndice 6 Apndice 7 Apndice 8 Apndice 9 Apndice 10 Apndice 11

    Potenciales de electrodo estndar de media celda de una seleccin de elementos 545 Densidad de carga de una seleccin de iones 555 Energas de enlace selectas 558 Energas de ionizacin de una seleccin de metales 560 Afinidades electrnicas de una seleccin de no metales 562 Configuraciones electrnicas de los elementos 563 Seleccin de energas reticulares 567 Seleccin de entalpas de hidratacin 568 Seleccin de radios inicos 569

    571

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  • Prefacio

    La qumica inorgnica va ms all del inters acadmico; es una parte importante de nuestra vida.

    F ue un deleite descubrir que tantos qumicos comparten el entusiasmo del autor por la qumica inorgnica descriptiva. El resultado de ello es que el lector tiene en sus manos la segunda edicin de este libro. Re-cordando el propsito original, el texto busca enfocar la atencin en las propiedades de una seleccin de elementos y compuestos interesan-tes, importantes e inusitados. Sin embargo, la qumica inorgnica no es slo el estudio de propiedades y reacciones, sino que incluye explicaciones. Para expli-car "por qu", es necesario examinar los principios de la qumica, tales como la estructura atmica, los enlaces, las fuerzas intermoleculares, la termodinmica, el comportamiento cido-base y ios enfoques de formacin de enlaces a los com-plejos de metales de transicin. En este texto slo se presentan los principios que son necesarios para explicar el comportamiento qumico.

    Por encima de todo, el autor ha procurado que el texto sea interesante y per-tinente . Por ejemplo, cada captulo se inicia con algn aspecto humano del tema. Es mucho el esfuerzo que se ha dedicado a decidir qu elementos y compuestos se incluiran, a fin de que el estudiante pueda apreciar la extensa variedad de com-portamientos qumicos entre los elementos y sus mltiples aplicaciones. El texto est salpicado de temas encerrados en recuadros, los cuales aportan novedosas fa-cetas adicionales de la qumica inorgnica.

    El texto inicia con el desarrollo de todos los conceptos tericos importantes. Tales temas son extensiones de los que se introducen en los cursos de qumica general, aunque aqu se ha intentado traslapar el material nuevo y el viejo para no dejar a los estudiantes con huecos en su conocimiento de los principios qu-micos. En todo el texto se usa la tabla peridica como tema, aunque, como se

    xxiii

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  • xxiv Prefacio

    muestra una y otra vez, hay muchos aspectos del comportamiento qumico que no encajan en la sencilla divisin en grupos y periodos.

    El grueso del texto sigue la qumica de los grupos de la tabla peridica. En estos captulos descriptivos, la introduccin fundada en la historia va seguida de las tendencias y patrones de cada grupo, para despus describir los elementos y compuestos especficos en el contexto de la qumica que les es peculiar. Siempre que es posible, se intenta explicar el comportamiento qumico en trminos de principios qumicos fundamentales . En el caso de los muchos compuestos que desempean una funcin importante en la economa, se estudia la sntesis indus-trial y los usos correspondientes. Por ltimo, cada captulo descriptivo concluye con una seccin sobre la importancia bioqumica, pues la vida sera imposible sin la presencia de una amplia gama de elementos qumicos.

    Las mejoras principales que se han llevado a cabo en esta edicin son las siguientes: Mayor utilizacin de la tabla peridica. Del mismo modo que un mapa geo-grfico es indispensable para un piloto areo o naval, as la tabla peridica pro-porciona un mapa qumico al qumico inorgnico. Por consiguiente, se utiliza el marco de la tabla peridica para el anlisis de tendencias y patrones a lo largo del libro. En esta edicin la tabla peridica es un tema an ms recurrente con la in-clusin de una nueva seccin completa, Tendencias peridicas en la formacin de enlaces (Captulo 5), dedicada a ella. Varios de los nuevos problemas de final de captulo tambin utilizan modificaciones novedosas a la tabla peridica.

    Conceptos de cido-base duro-blando. Parte del comportamiento de los com-puestos inorgnicos se puede interpretar en trminos de los conceptos de cido-base duro-blando. La cobertura de este importante tema es mucho ms extensa en la segunda edicin. El tema se presenta en Conceptos de cidos-bases duros-blandos de Pearson (Captulo 8) y se ampla en el estudio de los complejos de me-tales de transicin, Complejos de coordinacin y el concepto ABDB (Captulo 18). Qumica organometlica. Los compuestos que contienen enlaces metal-carbo-no han tenido impactos muy importantes en nuestros modelos tericos de la qu-mica inorgnica, y muchos de estos compuestos organometlicos tienen impor-tantes aplicaciones industriales. En la nueva seccin, Compuestos organometlicos (Captulo 18), se ha adoptado un estilo y un nivel congruentes con los otros te-mas de la qumica de los metales de transicin.

    Inclusin de ms compuestos y aplicaciones. Se han agregado temas adiciona-les, entre ellos algunos pertinentes a la qumica ambiental y a la qumica de mate-riales. Es fundamental mostrar que la qumica inorgnica es un campo en desa-rrollo continuo; por esta razn, se han incorporado las secciones y subsecciones siguientes: Semiconductores y la estructura de blenda de zinc (Captulo 5); Bora-nos (Captulo 12); Sulfuro de carbonilo y Cianuros (Captulo 13); el Radical ni-trato y Oxicloruro de fsforo (Captulo 14); el Radical hidroxilo (Captulo 15); Tungsteno y Catlisis heterognea (Captulo 19); y Similitudes entre los elementos del grupo 12 y los del grupo 14 (Captulo 20). Expansin de conceptos. Este texto mantiene su enfoque concentrado en los aspectos descriptivos de la qumica inorgnica. Al mismo tiempo, es necesario asegurar la inclusin de todos los temas tericos pertinentes. En esta edicin se incorporan secciones o subsecciones sobre lo siguiente: Reglas de Slater y Efectos relativistas (Captulo 2); Teora del enlace valencia (Captulo 3); Enlaces metli-cos (Captulo 4); la Ecuacin de Born-Land (Captulo 6); y Tendencias en el com-portamiento cido-base (Captulo 8).

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  • Prefacio

    que

    a. Ena detosympres dequedus-cluyele sin

    mes:

    geo-pro-zaeldela in-cinalde

    orn-ido-ensaros-me-18).

    1;1-

    xxv

    Temas adicionales. La qumica inorgnica es INTERESANTE! He recibido mu-chos comentarios favorables acerca del inters que los temas encerrados en recua-dros despiertan en el estudiante. En esta edicin se han incorporado tres temasadicionales dentro del texto: Los istopos en qumica (Captulo 7); Un puntode vista diferente de los enlaces del trifluoruro de boro (Captulo 12); y El dixido decarbono comofluido supercrtico (Captulo 13).

    Temas a color. El concepto de temas en recuadro ha resultado tan popular queahora la seccin a color se ha transformado en una oportunidad para aadir unanueva serie de temas apoyada por fotografias en color que sirven para ilustrar lasmltiples facetas de la qumica inorgnica. Estos temas a color son Aplicacionesde la qumica inorgnica; Metal con memoria; La forma del porvenir; Quimiosn-tesis:Qumica redox en lecho marino; Concreto: un antiguo material con un nue-vofuturo; Nuevos minerales: ms all de las limitaciones de la geoqumica; Cosmo-qumica: lo, la luna rica en azufre; Tecnecio: un elemento escasocon un importanteuso mdico; y Vidrio: botellas antiguas y lentes modernas.

    Diagramas de reacciones de los elementos. Estos diagramas muestran las reac-ciones eslabonadas de los elementos ms comunes de cada grupo de la tabla pe-ridica. Los diagramas permiten al estudiante contemplar un panorama generalde las reacciones del elemento y visualizar y recordar las caractersticas fundamen-tales de la qumica del mismo. Cada uno de los captulos descriptivos (Captulos7, 10-17, 19-21) concluye con Diagramas de flujo de reacciones de los elementos.

    Ms all de lo bsico. stos son problemas ms dificiles que van ms all delsimple propsito de recordar o aplicar conceptos individuales. Es importanteayudar al estudiante a desarrollar sus habilidades de razonamiento crtico, y estosproblemas le permiten combinar los conocimientos de qumica inorgnica adqui-ridos con la expansin de esas habilidades. Los problemas de Ms all de lo bsi-co se incluyen a continuacin de los Ejercicios al final de cada captulo.

    Recursos adicionales. Se incluye una gran variedad de interesantes y tiles refe-rencias, todas las cuales son comprensibles sin dificultad para el estudiante. Estosartculos permiten al estudiante interesado profundizar en los temas de inters;asimismo, el profesor puede utilizadas como base de trabajos escritos de final deperiodo. Con estos Recursos adicionales se cierra cada captulo.

    Ms apndices. Se ha agregado un gama completa de apndices, los cuales per-miten al estudiante resolver casi todos los ejercicios y problemas sin tener queconsultar otras fuentes de datos. Los nuevos apndices son Propiedades termodi-nmicas de una seleccin de compuestos inotgnicos; Potenciales de electrodo estn-dar de media celda de una seleccin de elementos; Enetgas de enlace selectas; Ener-gas de ionizacin de una seleccin de metales; Afinidades electrnicas de unaseleccin de no metales; Seleccin de energas reticulares; Seleccin de entalpas de hi-dratacin; y Seleccin de radios inicos. El primer apndice es ahora un Crucigra-ma de elementos en el cual las claves estn vinculadas especficamente con el ma-terial del texto y ofrecen un repaso diferente de fin de curso.

    Este libro se escribi con el propsito de transmitir a otra generacin la fas-cinacin del autor con la qumica inorgnica. Por consiguiente, sern sincera-mente bienvenidos todos los comentarios de los lectores, tanto estudiantes comoinstructores, al igual que cualquier sugerencia de lecturas adicionales o actualiza-das para posteriores impresiones. La direccin actual de correo electrnico delautor es [email protected].

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    1,_

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  • Agradecimientos

    E l autor desea agradecer sinceramente a las personas de W. H. Freeman que aportaron sus talentos a este libro. En este contexto, el autor ofrece su sincera gratitud a su actual y vivaz editora de adquisiciones, Michelle Julet, y a la editora de produccin, Mary Louise Byrd. Un agradecimiento especial tambin para Deboral1 Allen, la editora de ad-quisiciones para la primera edicin, y constante fuente de aliento a lo largo de los primeros aos de este proyecto .

    El autor desea hacer un reconocimiento a los revisores siguientes de esta edi-cin: F. C. Hentz de la North Carolina State University; Richard B. Kaner de la University of California, Los ngeles; Michael D. Johnson de la. New Mexico State University; Richard H. Langley de la Stephen F. Austin State University; James M. Mayer de la University ofWashington; Jon Melton del Messiah Colle-ge; Joseph S. Merola del Virginia Technical Institute; David Phillips del Wabash College; John R. Pladziewicz de la University ofWisconsin, Eau Claire; Daniel Rabinovich de la University of North Carolina en Charlotte; David F. Rieck de la Salisbury State University; Todd K. Trout del Mercyhurst College; Steve Wat-ton de la Virginia Commonwealth University; y John S. Wood de la University of Massachusetts, Arnherst. Asimismo, se reconocen las aportaciones de los revi-sores siguientes de la primera edicin: E. Joseph Billo del Boston College; David Finster de la Wittenberg Urliversity; Stephen J. Hawkes de la Oregon State Uni-versity; Martin Hocking de la University ofVictoria; Vake Marganian del Brid-gewater State College; Edward Mottel del Rose-Hulman Institute of Techno-logy; y Alex Whitla de la Mount Allison University.

    Este libro nunca se habra escrito si no fuera por el entusiasmo por la qumi-ca inorgnica que el autor adquiri de sus maestros y mentores, tres de los cua-les merecen mencin especial: Briant Bourne de la Harvey Grammar School; Margaret Goodgame del Imperial College; y Derek Sutton de la Simon Fraser University. Asimismo, siempre es un placer reconocer las fructferas interaciones

    xxvii

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  • xxviii Agradecimientos

    del autor con sus colegas de qumica, tanto del profesorado como del perso-nal, del Sir Wilfred Grenfell College.

    Por ltimo, el autor desea expresar su gratitud eterna a su esposa, Marelene F. Rayner-Canham, por su apoyo y estmulo.

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  • Para entender el comportamiento de los compuestos inorgnicos necesitamos estudiar la naturaleza de los enlaces qumicos. La formacin de enlaces, a su vez, tiene relacin con el comportamiento de los electrones de los tomos que participan en ellos. Por consiguiente, nuestro estudio de la qumica inorgnica se inicia con un repaso del modelo de probabilidad del tomo y con un estudio de las aplicaciones de este modelo a las configuraciones electrnicas de los tomos y los iones.

    Figura 1.1 Un prisma separa las longitudes de onda de la luz blanca para dar el espectro visible.

    La estructura electrnica del

    / atomo: un repaso

    z z

    y y x

    y

    z

    Resulta sorprendente que Isaac Newton haya descubierto algo en su vida, ya que era el representante autntico del profesor distrado. Se dice que siempre meda el tiempo de coccin del huevo que tomaba en el desayuno. Una maana su sirvienta lo encontr parado frente a un cazo con agua hirviente, sostena un huevo en la mano y miraba fijamente el reloj que haba puesto en el fondo del cazo! No obstante, Newton inici el estudio de la estructura electrnica del tomo alrededor de 1700 cuan-do observ que el paso de la luz solar por un prisma produca un espectro visi-ble continuo (Figura 1.1). Mucho tiempo despus, en 1860, Robert Bunsen (fa-moso por la invencin de su mechero) investig la luz emitida por las flamas y gases. Bunsen observ que los espectros de emisin, en vez de ser continuos, eran una serie de lneas de colores (espectros de lneas). Comprob que cada elemen-to qumico produca un espectro nico y caracterstico (Figura 1.2). Otros inves-

    Rojo Anaranjado Amarillo Verde Azul ndigo Violeta

    1

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  • 2 Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso

    1

    Figura 1.2 Se produce unespectro de lneas cuando unelemento se calienta en unaflama.

    Figura 1.3 Espectro deemisin del hidrgeno.

    Espectrode lneas

    Mechero

    tigadores demostraron posteriormente qu:: en realidad haba varios conjuntos delneas espectrales para el tomo de hidrgeno: un conjunto en la regin del ul-travioleta, uno en la regin visible y varios conjuntos en la parte infrarroja del es-pectro electromagntico (Figura 1.3).

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    La explicacin de las lneas espectrales fue uno de los triunfos del modelo deltomo de Bohr. En 1913 Niels Bohr propuso que los electrones slo podan ocu-par ciertos niveles de energa que correspondan a diversas rbitas circulares alre-dedor del ncleo. Identific cada uno de esos niveles con un nmero entero, alque llam nmero cuntico. El valor de este parmetro poda variar entre 1 al in-finito. Segn Bohr, a medida que un tomo absorba energa de una flama o deuna descarga elctrica, los electrones pasaban de un nivel cuntico a uno o msniveles de mayor energa. Tarde o temprano, los electrones regresaban a los ni-veles cunticos inferiores, ms cercanos al ncleo y cuando lo hacan, se emitaluz. La longitud de onda de la luz emitida exhiba una correspondencia directacon la energa de separacin de los niveles cunticos inicial y final. Cuando loselectrones ocupaban el nivel energtico ms bajo posible, se deca que estaban ensu estado hasal. Si uno o ms electrones absorban suficiente energa como para. alejarse del ncleo, se deca que estaban en un estado excitado.

    Sin embargo, el modelo de Bohr tena varios defectos. Por ejemplo, los es-pectros de tomos con varios electrones tenan muchas ms lneas que las quepredeca el sencillo modelo de Bohr. Dicho modelo tampoco poda explicar la di-visin de las lneas espectrales en un campo magntico (fenmeno conocido co-mo efecto Zeeman). Poco tiempo despus se propuso un modelo radicalmente di-ferente, el de la mecnica cuntica, para explicar estas observaciones.

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  • La ecuacin de onda de Schrdinger y su significado 3

    La ecuacin de onda de Schrodinger y su significado El modelo de la estructura atmica ms avanzado, segn la mecnica cuntica, se bas en los trabajos de Louis de Broglie, quien demostr que, as como las on-das electromagnticas se pueden tratar como flujos de partculas (fotones), las partculas en movimiento pueden exhibir propiedades similares a las de las ondas. Por tanto, era igualmente vlido imaginar los electrones como partculas o como ondas. Utilizando esta dualidad de partcula-onda, Erwin Schrodinger desarroll una ecuacin diferencial parcial para representar el comportamiento de un elec-trn alrededor de un ncleo atmico. Esta ecuacin, que presentamos aqu para un tomo con un solo electrn, muestra la relacin entre la funcin de onda del electrn, \ji, y E Y V, las energas total y potencial del sistema. Los trminos de se-gunda diferencial representan la funcin de onda a lo largo de cada una de las coordenadas cartesianas x, y y z; m es la masa de un electrn y h es la constante de Planck.

    Espectroscopia de absorcin atmica Cabe esperar que un cuerpo que brilla, como el Sol, emita un espectro continuo de radiacin electromagntica. Sin embargo, a principios del siglo XIX un cientfico alemn, Josefvon Fraunhofer, observ que el espectro visible del Sol contena en realidad varias bandas oscuras. Investigadores posteriores se dieron cuenta que las bandas eran el resultado de la absorcin de ciertas longitudes de onda por tomos menos calientes en la "atmsfera" sobre la superficie solar. Los electrones de estos tomos estaban en estado basal, y absorban radiacin a longitudes de onda que correspondan a la energa que necesitaban para excitarse y alcanzar estados energticos ms altos. Un estudio de tales espectros "negativos" llev al descubrimiento del helio. Los estudios espectrales de este tipo siguen teniendo gran importancia en la cosmoqumica: el estudio de la composicin qumica de las estrellas.

    En 1955 dos grupos de cientficos, uno en Australia y el otro en Holanda, se percataron que el mtodo de absorcin podra servir para detectar la presencia de elementos en concentraciones muy bajas. Cada elemento tiene un espectro de absorcin especfico que corresponde a las distintas separaciones (diferencias) entre los niveles energticos de sus tomos. Cuando la luz de una fuente potente atraviesa una muestra vaporizada de un elemento, se absorben las longitudes de onda especficas que corresponden a las diversas separaciones energticas. Cuanto mayor es la concentracin de los tomos, mayor es la proporcin de la luz que se absorbe. La sensibilidad de este mtodo es extremadamente alta, y es fcil determinar las concentraciones de partes por milln; algunos elementos se pueden determinar con una precisin de partes por mil millones. La espectroscopia de absorcin atmica se ha convertido en una herramienta analtica de rutina en qumica, metalurgia, geologa, medicina, investigacin forense y muchos otros campos cientficos. Lo nico que se requiere es el movimiento de electrones de un nivel energtico a otro.

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  • 4 Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso

    La deduccin de esta ecuacin y el mtodo para resolverla pertenecen al do-minio de la fisica y la fisicoqumica, pero la solucin en s tiene gran importancia para los qumicos inorgnicos. No obstante, siempre debemos tener presente que la ecuacin de onda no es ms que una frmula matemtica. Asignamos signifi-cados a la solucin simplemente porque la mayora de nosotros necesitamos im-genes concretas para pensar en los fenmenos subatmicos. Por fortuna, tales imgenes no necesitan estar basadas en la realidad para ser de utilidad.

    Schrodinger sugiri que el verdadero significado de la ecuacin poda en con -trarse a partir del cuadrado de la funcin de onda, V, que representa la probabi-lidad de encontrar al electrn en cualquier punto de la regin que rodea al n-cleo. Una ecuacin de onda tiene varias soluciones. Cada una describe un orbital distinto y, por tanto, una diferente distribucin de probabilidad para un electrn en ese orbital . Cada uno de estos orbitales est definido de forma nica por un conjunto de tres nmeros enteros: n, l y mi . Al igual que los enteros del modelo de Bohr, stos se llaman tambin nmeros cunticos.

    Adems de los tres nmeros cunticos que se derivan de la teora original, fue necesario definir un cuarto nmero cuntico para explicar los resultados de un experimento posterior. En este experimento se vio que si se haca pasar un haz de tomos de hidrgeno por un campo magntico, la mitad de los tomos se des-viaba en una direccin y la otra mitad se desviaba en la direccin opuesta. Otros investigadores propusieron que la observacin era el resultado de dos diferentes orientaciones del giro o espn de los electrones. Los tomos que posean un elec-trn con un espn eran desviados en una direccin, y los tomos cuyo electrn tena el espn opuesto se desviaban en la direccin opuesta. Se asign el smbolo m, a este nmero cuntico de espn.

    Los posibles valores de los nmeros cunticos se definen como sigue:

    n, el nmero cuntico principal, puede tener todos los valores enteros posi-tivos desde 1 hasta oo.

    l, el nmero cuntico de momento angular, puede tener todos los valores enteros desde n - 1 hasta o.

    mi' el n mero cuntico magntico, puede tener todos los valores enteros entre + l y -l, pasando por O.

    m" el nmero cuntico de espn, puede tener los valores + 1/ 2 Y - 1/ 2 .

    Con un nmero cuntico principal de 1, slo hay un posible conjunto de n-meros cunticos n, ly mi (1, O, O); en cambio, con un nmero cuntico princi-pal de 2 hay cuatro conjuntos de nmeros cunticos (2, O, O; 2, 1, -1; 2, 1, O; 2,1, + 1). Esta situacin se muestra en forma de diagrama en la figura 1.4. Para identificar el orbital electrnico que corresponde a cada conjunto de nmeros cunticos, usamos el valor del nmero cuntico principal n seguido de una letra para el nmero cuntico de momento angular, l. As, cuando n = 1, slo existe el orbital ls; cuando n = 2 hay un orbital 2s y tres orbitales 2p (que correspon-den a los valores de mi de + 1, O y - 1). Las letras s, p, d y f se derivan de las ca-tegoras de lneas espectrales: ntidas (sharp, en ingls), principales, difusas y fun-damentales. Las correspondencias se muestran en la tabla 1.1.

    Cuando el nmero cuntico principal n es igual a 3, hay nueve conjuntos de nmeros cunticos (Figura 1.5) . Estos conjuntos corresponden a un orbital 3s, tres 3p y cinco 3d. Un diagrama similar para el nmero cuntico principal n = 4

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  • La ecuacin de onda de Schrdinger y su sign ificado 5

    Figura 1.4 Los posib les conjuntos de nmeros cunticos para n = 1 Y n = 2.

    Tabla 1.1 Correspondencia entre el nmero cuntico de momento angular I y la designacin del orbital

    Designacin Va lor de I del orbital

    O s 1 P 2 d 3 f

    Tabla 1.2 Correspondencia entre el nmero cuntico de momento angular I y el nmero de orbitales

    Nmero Valor de I del orbital

    O 1 1 3 2 5 3 7

    Figura 1.5 Los posibles' conjuntos de nmeros cunticos para n = 3 .

    n

    ,

    ..-

    ..-

    m

    ls 2s 2p

    mostrara 16 conjuntos de nmeros cunticos, que corresponden a un orbital4s, tres 4p, cinco 4d y siete 4f(Tabla 1.2). En teora, podemos continuar indefini-damente, pero como veremos los orbitales frepresentan el lmite para los tipos de orbitales que se presentan entre los elementos de la tabla peridica para to-mos en su estado basal electrnico .

    La ecuacin de onda de Schrdinger se presenta habitualmente como la re-presentacin definitiva de los electrones de un tomo, pero no lo es. Como ve-remos en el captulo 2, la ecuacin no toma en cuenta el hecho de que algunos de los electrones de los elementos de mayor masa viajan a velocidades extrema-damente grandes. En consecuencia, la masa de los electrones sufre la influencia de efectos relativistas. Aunque la ecuacin de Schrdinger se puede modificar pa-ra resolver este problema, en 1928 el fisico ingls P. A. M. Dirac ide una ecua-cin de onda mejor que integra los factores de relatividad. La ecuacin de Dirac proporciona cuatro nmeros cunticos de manera directa, aunque slo el nmero cuntico principal, n, tiene el mismo significado en las ecuaciones de Schrdin-ger y de Dirac. Incluso la forma de los orbitales que se deducen de la ecuacin de Dirac son diferentes de los que provienen de la ecuacin de Schrdinger. Sin embargo, puesto que ste es un texto de qumica descriptiva, destacaremos las caractersticas de los orbitales deducidos por Schrdinger, ms sencillos y de uso ms comn .

    n

    ..-

    1

    ..-

    m

    3s 3p 3d

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  • 6 Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso

    Formas de los orbitales atmicos Representar las soluciones de una ecuacin de onda en el papel no es una tarea fcil. De hecho, necesitaramos papel para grfica cuatridimensional (si existiera) para mostrar la solucin completa para cada orbital. Por ello, nuestras represen-taciones aqu sern un poco simplificadas.

    Cada uno de los tres nmeros cunticos que se derivan de la ecuacin de on-da representa un aspecto distinto del orbital:

    El nmero cuntico principal n indica el tamao del orbital. El nmero cuntico de momento angular l representa la forma del orbital. El nmero cuntico magntico mi representa la orientacin del orbital en

    el espacio. / El nmero cuntico de espn m, no tiene mucho significado fisico; simple-

    mente permite a dos electrones ocupar el mismo orbital.

    El valor del nmero cuntico principal y, en menor medida, el del nmero cuntico de momento angular, determina la energa del electrn. Aunque quiz el electrn no est girando sobre s mismo literalmente, se comporta como si lo hiciese y tiene las propiedades magnticas que son de esperar en una partcula que gira sobre s misma.

    Usamos un diagrama de orbitales para indicar la probabilidad de encontrar un electrn en cualquier momento, en cualquier lugar. Un punto de vista alter-nativo es considerar las posiciones de un electrn a lo largo de un periodo de tiempo muy largo. Definimos un lugar en el que un electrn al parecer pasa casi todo su tiempo como un rea de alta densidad electrnica. Por otra parte, los lu-gares que un electrn casi nunca visita son reas de baja densidad electrnica.

    Los orbitales s Los orbitales s son simtricos esfricamente alrededor del ncleo atmico. A me-dida que aumenta el nmero cuntico principal, el electrn tiende a encontrarse ms lejos del ncleo. Para expresar esta idea de diferente manera, decimos que, a medida que aumenta el nmero cuntico principal, el orbital se vuelve ms di-fuso.

    Figura 1.6 Representaciones de las formas de los orbitales 15 y 25. (Adaptado de D. A. McQuarrie y P. A. Rock, General Chemistry, 2a. ed. [Nueva York: W. H. Freeman, 1991]. pg. 322.)

    En la figura 1.6 se comparan representaciones a la misma escala de las for-mas de los orbitales Is y 2s de un tomo. El volumen de un orbital 2s es unas cuatro veces mayor que el de un orbital Is. En ambos casos, el ncleo ocupa un volumen diminuto en el centro de las esferas. Estas esferas representan la proba-bilidad del 99% de encontrar un electrn en ese orbital en particular. No es posi-

    z

    z

    y y

    x

    (a) (b)

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  • Formas de los orbitales atmicos

    Figura 1.7 Variacin de la funcin de distribucin de densidad radial con la distancia al ncleo para electrones en los orbitales 1s, 2s y 3s de un tomo de hidrgeno.

    7

    ble representar la probabilidad total, ya que la probabilidad de encontrar un elec-trn slo baja a cero a una distancia infinita del ncleo.

    La probabilidad de encontrar el electrn dentro de un orbital siempre es po-sitiva (puesto que la probabilidad se obtiene del cuadrado de la funcin de onda, y el cuadrado de un nmero negativo es positivo). Sin embargo, cuando analiza-mos los enlaces que los tomos forman, encontramos que el signo relacionado con la funcin de onda original es importante. Por esta razn, por convencin se superpone el signo de la funcin de onda a la representacin de cada orbital at-mico. En el caso de un orbital s, el signo es positivo.

    Adems de la enorme diferencia de tamao entre los orbitales ls y 2s, el or-bita12s tiene, a cierta distancia del ncleo, una superficie esfrica en la que la den-sidad electrnica es cero. Una superficie en la que la probabilidad de encontrar un electrn es cero se denomina superficie nodal. Cuando el nmero cuntico principal se incrementa en 1, el nmero de superficies nodales tambin se incre-menta en l. Podemos visualizar las superficies nodales ms claramente trazando una grfica de la funcin de distribucin de densidad radial en funcin de la dis-tancia al ncleo para cualquier direccin. La figura 1.7 muestra las grficas para los orbitales ls, 2s y 3s. En estas curvas se aprecia que el electrn tiende a estar ms lejos del ncleo a medida que aumenta el nmero cuntico principal. Las reas bajo las tres curvas son iguales.

    0.2 0.4 0.2 0.4 0.6 0.8 Distancia (nm) - Distancia (nm) _

    35

    0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Distancia (nm) -

    Los electrones que estn en un orbital s son diferentes de los que estn en orbitales p, do fen dos sentidos importantes. Primero, slo el orbital s tiene una densidad electrnica que vara igualmente en cualquier direccin desde el ncleo atmico hacia afuera. Segundo, hay una probabilidad finita de que un electrn que est en un orbital s est en el ncleo del tomo. Todos los dems orbitales tienen un nodo en el ncleo.

    Los orbitales p A diferencia de los orbitales s, los orbitales p no son esfricamente simtricos. De hecho, los orbitales p consisten en dos volmenes espaciales (lbulos) discretos, con el ncleo entre los dos lbulos. Dado que hay tres orbitales p, asignamos a cada orbital una direccin segn las coordenadas cartesianas: tenemos p", Py y Pz'

    /

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  • 8

    Figura 1.8 Representaciones de las formas de los orbitales 2px' 2py y 2pz (Adaptado de D. F. Shriver, P. Atkins y C. H. Langford , Inorganic Chemistry, 2a. ed . [Nueva York: W. H. Freeman, 1994], pg. 24.)

    Figura 1.9 Variacin de la funcin de distribucin de densidad radial con la distancia al ncleo para electrones que estn en los orbitales 2s y 2p de un tomo de hidrgeno.

    Captulo 1 La estructura electrn ica del tomo: un repaso

    z z z

    y y x ----'~"---

    y

    En la figura 1.8 se muestran representaciones de los tres orbitales 2p. Existe un plano nodal que pasa por el ncleo y es perpendicular al eje de ms alta probabili-dad. Por ejemplo, el orbital2pz tiene una superficie nodal en el plano xy. En trmi-nos del signo de la funcin de onda, un lbulo es positivo y el otro es negativo.

    Si comparamos las curvas de densidad electrnica ps. distancia al ncleo para el orbital 2s y un orbital 2p (esta ltima trazada a lo largo del eje de ms alta pro-babilidad), vemos que el orbital 2s tiene una densidad electrnica mucho mayor cerca del ncleo que el orbital 2p (Figura 1.9). Por otra parte, el segundo mxi-mo del orbital 2s est ms lejos del ncleo que el mximo del orbital 2p. No obs-tante, la distancia media de mxima probabilidad es la misma para los dos orbi-tales.

    Al igual que los orbitales s, los orbitales p desarrollan superficies nodales adi-cionales dentro de la estructura del orbital a medida que aumenta el nmero cuntico principal. Por ello, un orbital 3p no se ve exactamente igual que uno 2p. Sin embargo, las diferencias detalladas en la forma de los orbitales para un nme-ro cuntico de momento angular dado tienen muy poca importancia en el con-texto de la qumica inorgnica bsica.

    ~ 2s ] .:E

    ro ..o 8 :.

    0.2 OA 0.6 0.8 Distancia (nm) __

    0.2 OA 0.6 0.8 Distancia (nm) __

    Los orbitales d Los cinco orbitales d tienen formas ms complejas. Tres de ellos estn situados entre los ejes cartesianos, y los otros dos estn orientados a lo largo de los ejes. En todos los casos, el ncleo se encuentra en la interseccin de los ejes. Tres de los orbitales tienen cuatro lbulos situados entre pares de ejes (Figura 1.10) . Es-

    Figura 1.10 Representacio-nes de las formas de los orbitales 3dXY' 3dxz y 3dyz. (Adaptado de D. F. Shriver, P. Atkins y C. H. Langford, Inorganic Chemistry, 2a. ed . [Nueva York: W. H. Freeman, 1994], pg. 25.)

    y

    z

    x

    z z

    y y

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  • El tomo polielectrnico

    Figura 1.11 Representacio-nes de las formas de los orbitales 3dz 2 y 3d x 2-y2. (Adaptado de D. F. Shriver, P. Atkins y C. H. Langford, Inorganic Chemistry, 2a. ed. [Nueva York: W. H. Freeman, 1994], pg. 25.)

    9

    z z

    y y -----

    x

    tos orbitales se identifican como d",y' dxz Y dyz' Los otros dos orbitales dz 2 y d ",2_y2 , se muestran en la figura 1.11. El orbital dz2 se parece un poco a un orbital Pz' s-lo que tiene adems un anillo toroidal de alta densidad electrnica en el plano xy. El orbital d

    x2-y2 es idntico al orbital d>.y' slo que est girado 45.

    Los orbitales f Los orbitales son todava ms complejos que los d. Hay siete orbitales f, cuatro de los cuales tienen ocho lbulos. Los otros tres se parecen al orbital dz 2 , slo que tienen dos anillos toroidales en lugar de uno. Estos orbitales casi nunca in-tervienen en enlaces, por lo que no necesitamos examinarlos con mucho detalle.

    El tomo polielectrnico

    Llenado de los orbitales s

    15 1 Figura 1.12 Configuracin electrnica de un tomo de hidrgeno.

    En nuestro modelo del tomo polielectrnico, los electrones estn distribuidos en los orbitales del tomo segn el principio Aujbau (construccin progresiva) . Esta sencilla idea propone que, cuando todos los electrones de un tomo estn en el estado basal, ocupan los orbitales de ms baja energa, con lo que minimi-zan la energa electrnica total del tomo. As, la configuracin de un tomo pue-de describirse con slo agregar electrones uno por uno hasta llegar al nmero to-tal requerido para el elemento.

    Antes de comenzar a construir configuraciones electrnicas, hay otra regla que debemos considerar: el principio de exclusin de P'fuli. Segn esta regla, en un tomo no puede haber dos electrones que tengan sus cuatro nmeros cun-ticos idnticos. As, slo puede haber un orbital con cada conjunto de tres n-meros cunticos en un tomo, y cada orbital slo puede contener dos electrones, uno con m, = + V2 Y el otro con m, = - V2 .

    La configuracin ms sencilla es la del tomo de hidrgeno. Segn el principio Aujbau, el electrn solitario se encontrar en el orbital ls. Esta configuracin es el estado basal del tomo de hidrgeno. La adicin de energa elevara el electrn a uno de los muchos estados energticos superiores. Estas configuraciones se co-nocen como estados excitados. En el diagrama del estado basal del tomo de hidrgeno (Figura 1.12) usamos una flecha con media cabeza para indicar la di-reccin del espn electrnico. La configuracin electrnica se escribe ls\ el su-perndice 1 indica el nmero de electrones que hay en ese orbital.

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  • '111

    jl'

    10 Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso

    25 -- 25 1

    15 ~(a)

    1(b)

    15

    Figura 1.13 Dos posiblesconfiguraciones electrnicasdel helio.

    2p--.1L

    (a)

    2p 1 1(b)

    2p 1 ~(c)

    Figura 1.14 Posiblesconfiguraciones electrnicas2p del carbono.

    Con un tomo de dos electrones (helio) se puede escoger: el segundo elec-trn podra entrar en el orbital Lr (Figura 1.13a) o en el siguiente orbital con ma-yor energa, el 2s (Figura 1.13b). Aunque podra parecer obvio que el segundoelectrn entrara en el orbital Lr, la cosa no es tan sencilla. Si el segundo electrnentrara en el orbital l r, estara ocupando el mismo volumen de espacio que elelectrn que ya est en ese orbital. Las repulsiones electrostticas tan fuertes di-suadiran al electrn de ocupar el mismo orbital. En el caso del helio, la separa-cin de energa entre los orbitales Lr y 2s es de cerca de 4 Ml-rnol ", mientrasque la energa de apareamiento, la energa necesaria para vencer las fuerzas de re-pulsin interelectrnicas, es de unos 3 MJ -mal-l. Por tanto, la configuracin reales la Is2, aunque debemos hacer hincapi en que los electrones slose aparean enel mismo orbital si el apareamiento es la opcin que requiere menor energa.

    En el tomo de litio el orbital Lr se llena con dos electrones, y el tercer elec-trn debe entrar en el siguiente orbital, el 2s) que de los restantes es el de menorenerga. As, ellitio tiene la configuracin Is22sl. Puesto que la separacin ener-gtica de un orbital s y los orbitales p correspondientes siempre es mayor que laenerga de apareamiento en un tomo polielectrnico, la configuracin electr-nica del berilio es Is22s2, no Is22/2pl.

    El boro marca el inicio del llenado de los orbitales 2p. Un tomo de borotiene la configuracin electrnica Is22s22l. Puesto que los orbitales p estn de-generados (es decir, todos tienen la misma energa), es imposible decidir cul delos tres orbitales contiene el electrn.

    El carbono es el segundo tomo que en su estado basal tiene electrones enlos orbitales p. Su configuracin electrnica ofrece otro reto. Hay tres posiblesacomodos de los dos electrones 2p (Figura 1.14): ambos electrones en un orbi-tal; dos electrones con espines paralelos en diferentes orbitales; y dos electronescon espines opuestos en diferentes orbitales. Con base en las repulsiones electr-nicas, podemos rechazar de inmediato la primera posibilidad (a). La decisin en-tre las otras dos posibilidades es menos obvia y requiere un conocimiento msprofundo de la teora cuntica. De hecho, si los dos electrones tienen espines pa-ralelos, la probabilidad de que ocupen el mismo espacio es cero. En cambio, silos espines son opuestos, existe una probabilidad finita de que los dos electronesocupen la misma regin del espacio. El resultado sera cierta repulsin y un esta-do energtico ms alto. Es por ello que la situacin de espines paralelos (b) es laque ms baja energa tiene. Esta preferencia por electrones no apareados con es-pines paralelos se ha formalizado en la regla de Hund: al llenar un conjunto deorbitales degenerados, se deber maximizar el nmero de electrones no aparea-dos y dichos electrones tendrn espines paralelos.

    Despus de llenarse el conjunto de orbitales 2p en el nen (ls22s22l), se ini-cia el llenado de los orbitales 3sy 3p. En lugar de escribir las configuraciones elec-trnicas completas, podemos usar una forma abreviada. En esta notacin, loselectrones internos se representan con el smbolo del gas noble que tiene esaconfiguracin. As, el magnesia, cuya configuracin electrnica completa se es-cribira .como Is22s22l3s\ se puede representar como si tuviera un centro delgas noble nen, y su configuracin se escribe [Ne]3s2.* Con esto terminamosnuestro anlisis de la configuracin electrnica de los dos periodos (filas) cortosde la tabla peridica (Figura 1.15): el periodo 2, dellitio al nen, y el periodo 3,del sodio al argn.

    Despus de llenarse totalmente los orbitales 3p en el argn, se inicia el lle-nado de los orbitales 3d y 4s. Es aqu que el concepto simple de nivel energtico

    * N. del R. T. A este tipo de representacin se le llama configuracin electrnica con ker-nel, palabra alemana que significa corazn.

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  • El tomo polielectrnico 11

    o elec-onma-gundolectrnqueeltes di-

    'a.r elec-menorener-quelaectr-

    boron de-ul de

    ones

    ms

    onesesta-es lan es-to dearea-

    eini-elec-, lose esa

    ker-

    Figura 1.15 Caractersticasesenciales de la tablaperidica. Los nmeros de laparte de arriba designangrupos (columnas) deelementos. Los nmeros dellado derecho designanperiodos (filas).

    18 Cl--1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    0r-

    1 2 13 14 15 16 17 HeLi Be B C N O F NeNa Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Al'K Ca Sc Ti V er Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te 1 XeCs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At RnFr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Elementos

    re resentativosElementosrepresentativos

    pMetalesde transicin

    Lantanoides La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm YbAc Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md NoActinoides

    de los orbitales comienza a fallar, porque los niveles energticos de los orbitales4sy 3d estn muy cercanos. En este caso lo ms importante no es la energa m-ruma de un solo electrn, sino la configuracin que d como resultado el menornmero de repulsiones interelectrnicas para todos los electrones. En el caso delpotasio, sta es [Ar ]4s1 , y para el calcio es [Ar ]4s2 A fin de ilustrar cmo cambiaeste delicado equilibrio al aumentar el nmero de protones y electrones, presen-taremos una lista de los electrones exteriores de cada una de las tres series de ele-mentos de transicin (incluidos los elementos del grupo 12).

    tomo Configuracin tomo Configuracin tomo Configuracin

    Sc 4s23dl Y Ss24d I Lu 6s2SdlTi 4s23d2 Zr Ss24d2 Hf 6s2Sd2

    V 4s23d3 Nb Ssl4d4 Ta 6s2Sd3

    Cr 4s13ds Mo Ssl4ds W 6s2Sd4Mn 4s23ds Tc Ss24ds Re 6s2Sd5

    Fe 4s23d6 Ru Ssl4d7 Os 6s2Sd6

    Co 4s23d7 Rh Ssl4ds Ir 6s2Sd7

    Ni 4s23ds Pd Sso4dlo Pt 6slSd9

    Cu 4s13dlO Ag Ssl4d1O Au 6slSdlOZn 4s23dlO Cd Ss24dlO Hg 6s2Sd1O

    En general, se logra la energa global ms baja para cada metal de transicinllenando primero los orbitales s; los dems electrones ocupan entonces los orbi-tales d. Sin embargo, en ciertos elementos se obtiene la energa ms baja pasan-do uno de los electrones s, o ambos, a orbitales d. Si examinamos la primera serieaislada, llegaramos a la conclusin de que existe cierta preferencia por un con-junto medio lleno o lleno de orbitales d en el cromo y el cobre. Aunque tanto elpaladio como la plata de la segunda serie de transicin favorecen la configuracin4d10, es ms preciso decir que la repulsin interelectrnica de los dos electroness es suficiente en varios casos para producir una configuracin SI.

    En los elementos dellantano (La) al yterbio (Yb) la situacin es todava mscompleja porque los orbitales 6s, 5d y 4ftienen energas similares. Por ejemplo,

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  • 12 Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso Co

    1

    ellantano tiene una configuracin de [Xe]6s25d\ mientras que el siguiente ele-mento, el cerio, tiene una configuracin de [Xe]6s24f2. La configuracin elec-trnica ms interesante de esta fila es la del gadolinio, [Xe]6s25d14f7, en lugarde la que se predice: [Xe]6s24f8. Esa configuracin es una prueba adicional de laimportancia de la repulsin interelectrnica en la determinacin de la configura-cin electrnica cuando orbitales adyacentes tienen energas similares. Ocurrensituaciones complejas similares entre los elementos del actinio (Ac) al nobelio(No), en las que los orbitales 7s, 6d y 5ftienen energas semejantes.

    A pesar de estas fluctuaciones menores en las configuraciones de los elemen-tos del paquete d y del J, el orden de llenado es sorprendentemente sistemtico.As pues, los orbitales se llenan en el orden

    (

    ls 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f5d 6p 7s 5f6d 7p

    Este orden tambin se muestra en la figura 1.16. Los orbitales se llenan en esteorden porque las diferencias de energa entre los orbitales s, p, d y f que tienenel mismo nmero cuntico de momento angular se vuelven mayores que n = 2que las diferencias de energa entre orbitales con diferentes nmeros cunticosprincipales. Es importante sealar que la figura 1.16 muestra el orden de llena-

    7p6d

    7 -- -- Si--- ---75

    6pSd6 -- -- 4i

    --- ---65

    Sp

    5 4d-- --55

    4p3d4 -- --45

    3p3 35 C2 25Figura 1.16 Representacin de 1 15las energas comparativas de losorbitales atmicos, para fines delorden de llenado. Periodo

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  • Configuraciones electrnicas de los iones 13

    ele- do, no el orden para un elemento en particular. Por ejemplo, en el caso de loselec- elementos ms all del periodo 4, los orbitales 3d tienen una energa mucho me-ugar nor que los orbitales 4s. Sin embargo, en este punto los orbitales 3d se han con-de la vertido en orbitales "internos" y no intervienen en los enlaces qumicos. Por ello,

    a- su ordenamiento preciso no es importante.

    Configuraciones electrnicas de los ionesrico.

    Es fcil predecir las configuraciones electrnicas de los iones comunes de los ele-mentos representativos. As, los metales tienden a perder todos los electrones delconjunto exterior de orbitales. Ilustramos esta situacin para la serie isoelctricacomo el sodio, el magnesio y el aluminio:

    estetomonen Configuracin electrnica Ion Configuracin electrnica

    =2 Na [Ne]3s1 Na+ [Ne]cos Mg [Ne]3s2 Mg2+ [Ne]na- Al [Ne]3s23pl Al3+ [Ne]

    Los no metales ganan electrones para completar su conjunto exterior de or-bitales. Mostramos esta situacin para el nitrgeno, el oxgeno y el flor:

    tomo Configuracin electrnica

    [He]2s22l[He]2s22l[He]2s22l

    Configuracin electrnica

    [Ne][Ne][Ne]

    NOF

    Algunos de los elementos representativos de mayor nmero atmico formandos iones con diferente carga. Por ejemplo, el plomo forma Pb2+y (raras veces)Pb4+. La carga 2+ puede explicarse por la prdida de los electrones p nicamen-te, mientras que la carga 4+ se debe a la prdida de los electrones s y p:

    tomoPb

    Configuracin electrnica[Xe ]6s24f145d106l

    Configuracin electrnica[Xe ]6s24f145 d 10[Xe ]4f145d 10

    Observe que los electrones del nmero cuntico principal ms alto se pier-den primero. Este principio se cumple para todos los elementos. En el caso delos metales de transicin, los electrones s siempre se pierden primero cuando se for-ma un catin metlico. En otras palabras, en los cationes de los metales de transi-cin los orbitales 3d siempre tienen menor energa que los 4s; una carga de2+, que representa la prdida de dos electrones s, es comn en los metalesde transicin y en los metales del grupo 12. Por ejemplo, el zinc siempre formaun ion con carga 2+ :

    tomoZn

    Configuracin electrnica Ion[Ar]4s23dlO Zn2+

    Configuracin electrnica

    [Ar]3d10

    El hierro forma iones con cargas de 2+ y 3+ y, como se muestra aqu, estentador achacar la formacin del ion 3+ a un proceso en el que la repulsin in-terelectrnica "expulsa" el nico electrn d apareado:

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  • 14 Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso

    tomo

    FeConfiguracin electrnica Ion[Ar]4s23d6 Fe2+

    Fe3+

    Configuracin electrnica

    [Ar]3d6

    [Ar]3d5

    No obstante, es peligroso depender demasiado de las configuraciones elec-trnicas de los tomos para predecir las cargas de los iones. La serie del nquel,paladio y platino ilustra este punto: tienen diferentes configuraciones como to-mos, pero sus cargas inicas y las configuraciones electrnicas de los iones corres-pondientes son similares:

    tomo Configuracin Ion Configuracinelectrnica electrnica

    Ni [Ar]4s23d8 N?+ [Ar]3d8

    Pd [Kr]Ss04d1O Pd2+, Pd4+ [Kr ]4d8, [Kr ]4d6

    Pt [Xe]6s1Sd9 Pt2+, pt4+ [Xe]Sd8, [Xe]Sd6

    Propiedades magnticas de los tomosEn las explicaciones de las configuraciones electrnicas vimos que algunos to-mos poseen electrones no apareados. La presencia de electrones no apareados enlos tomos de un elemento se puede determinar fcilmente a partir de las propie-dades magnticas del elemento. Si tomos que slo contienen electrones conespines apareados se colocan en un campo magntico, experimentan una repul-sin dbil. Este fenmeno se llama diamagnetismo. En cambio, los tomos quecontienen uno o ms electrones no apareados son atrados por el campo magn-tico. Este comportamiento de los electrones no apareados se llama paramagne-tismo. La atraccin de cada electrn no apareado es muchas veces ms fuerte quela repulsin de todos los electrones con espines apareados de ese tomo.

    Para explicar el paramagnetismo en trminos sencillos podemos visualizar elelectrn como una partcula que gira sobre su eje y genera un momento magn-tico, como hace una corriente elctrica que fluye por un alambre. Este momentomagntico permanente produce una atraccin hacia la parte ms fuerte del cam-po. Cuando los electrones tienen espines apareados, los momentos magnticos secancelan mutuamente, con el resultado de que los electrones apareados son repe-lidos dbilmente por las lneas de fuerza del campo magntico. Encontraremos es-te fenmeno otra vez cuando hablemos de enlaces covalentes y los enlaces encompuestos de los metales de transicin.

    Hay una tercera forma relativamente comn de comportamiento magnti-co: el jerromagnetismo. En los materiales paramagnticos, la aplicacin de uncampo magntico alinea con el campo magntico aplicado algunos de los espineselectrnicos que normalmente tienen una orientacin al azar (Figura l.I7a y b).Esta alineacin es lo que produce la atraccin del material hacia el interior delcampo magntico. En los materiales ferromagnticos los electrones no apareadosestn alineados con sus vecinos incluso en ausencia de un campo magntico. Es-tos grupos de espines mutuamente alineados se conocen como dominios magn-ticos. La aplicacin de un campo magntico consigue que todos estos dominiosse alineen con el campo magntico (Figura l.I7c y d). Esta alineacin es muchoms fuerte que la del paramagnetismo y puede ser permanente. Utilizamos el fe-rromagnetismo del xido de hierro(IlI) y y del xido de cromo (IV) como me-dio de registro en la superficie de las cintas de audio y vdeo.

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  • Ejercicios

    Figura 1.17 Comportamiento de los materiales paramag-nticos (a) sin y (b) con un campo magntico aplicado y de materiales ferromagnticos sin (e) y con (d) un campo magntico aplicado.

    EJERCICIOS

    (e)

    1.1 Defina los trminos siguientes: (a) superficie nodal; (b) principio de exclusin de Pauli; (c) paramagn-tico.

    1.2 Defina los trminos siguientes: (a) orbital; (b) dege-nerado; (c) regla de Hund.

    1.3 Construya un rbol de nmeros cunticos para el nmero cuntico principal n = 4, similar al que se mostr para n = 3 en la figura 1.5.

    lA Determine el valor mnimo de n para el cual mi puede (en teora) tener un valor de + 4 .

    1.5 Identifique el orbital que tiene n = 5 y 1 = 1. 1.6 Identifique el orbital que tiene n = 6 y 1 = O. 1. 7 Qu relacin hay entre el nmero cuntico n y las

    propiedades de un orbital? 1.8 Qu relacin hay entre el nmero cuntico 1 y las

    propiedades de un orbital? 1.9 Explique de forma concisa por qu el carbono tiene

    dos electrones en diferentes orbitales p con espines paralelos en lugar de los otros posibles acomodos.

    1.10 Explique de forma concisa por qu el berilio tiene una configuracin electrnica de estado basal de 152252 en lugar de 1522/2i.

    1.11 Escriba configuraciones electrnicas con kernel de gas noble para el estado basal de los tomos de (a) sodio; (b) nquel; (c) cobre.

    1.12 Escriba configuraciones electrnicas con kernel de gas noble para el estado basal de los tomos de (a) calcio; (b) cromo; (c) plomo.

    15

    (d)

    1.13 Escriba configuraciones electrnicas con kernel de gas noble para el estado basal de los iones de (a) potasio; (b) escandia 3+; (c) cobre 2+.

    1.14 Escriba configuraciones electrnicas con kernel de gas noble para el estado basal de los iones de (a) cloruro; (b) cobalto 2+; (c) manganeso 4 + .

    1.15 Prediga las cargas comunes de los iones que forma el talio. Explique su razonamiento en trminos de configuraciones electrnicas.

    1.16 Prediga las cargas comunes de los iones que forma el estao. Explique su razonamiento en trminos de configuraciones electrnicas.

    1.17 Prediga la carga comn del ion plata. Explique su razonamiento en trminos de configuraciones elec-trnicas.

    1.18 Prediga la carga ms alta posible de un ion zirconio. Explique su razonamiento en trminos de configu-raciones-electrnicas.

    1.19 Use diagramas similares a la figura 1.14 para deter-minar el nmero de electrones no apareados en to-mos de (a) oxgeno; (b) magnesio; (c) cromo.

    1.20 Use diagramas similares a la figura 1.14 para deter-minar el nmero de electrones no apareados en to-mos de (a) nitrgeno; (b ) silicio; (c) hierro.

    1.21 Escriba la configuracin electrnica esperada del elemento 113 y la configuracin de los dos cationes que es ms probable que forme.

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  • 16 Captulo 1 La estructura electrnica del tomo: un repaso

    MS ALL DE LO BSICO 1.22 El conjunto de orbitales que sigue a los orbitales f

    es el de los orbitales g. Cuntos orbitales g habra? Cul sera el nmero cuntico principal n ms bajo que tendra orbitales g? Deduzca el nmero atmico del primer elemento en el que se comenzaran a lle-nar los orbitales g con base en los patrones de los orbitales d y f

    1.23 Utilice textos de fisicoqumica para obtener infor-macin adicional sobre la ecuacin de onda de Di-

    RECURSOS ADICIONALES

    N . Agmon, Ionization Potentials for Isoelectronic Series. J. Chem. Educ. 65,42 (1988).

    G. L. Breneman, Order Out ofChaos: Shapes ofHydro-gen Orbitals. J. Chem. Educ. 65, 31 (1988) .

    D. R. McKelvey, Relativistic Effects on Chemical Proper-tieso J. Chem. Educ. 60, 112 (1983).

    M. P. Melrose y E. R. Scerri, Why the 4s Orbital Is Occu-pied before the 3d. J. Chem. Educ. 73,498 (1996).

    rac y comprela con la ecuacin de onda de Schrb-dinger.

    1.24 Utilice un texto de qumica inorgnica avanzada co-mo fuente de informacin sobre los orbitales f Qu caractersticas tienen en comn? Qu diferen-cias existen entre ellos?

    1.25 Una pregunta filosfica. Existe un orbital aunque no contenga un electrn? Exponga su opinin .

    R. T. Myers, The Periodicity ofElectron Mfinity. J. Chem. Educ. 67, 307 (1990).

    N. Shenkuan, The Physical Basis ofHund's Rule: Orbital Contraction Effects. J. Chem. Educ. 69, 800 (1992).

    L. G. Vanquickenbourne, K. Pierloot y D . Devoghel, Transition Metals and the Aufbau PrincipIe. J. Chem. Educ. 71,469 (1994).

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  • 0-

    Il-

    l.

    CAPTULO

    2La tabla peridica es elmarco que sirve como basea gran parte de nuestracomprensin de la qumicainorgnica. En este captuloofrecemos la informacinbsica, necesaria para elestudio ms detallado delos conjuntos individualesen captulos posteriores.

    Perspectiva generalde la tabla peridicaRepresen-t

    Represen-.ativos ls tativos rIs-25 2p- De transicin 3p3s- 4p4s 3d-55 4d 51)65 4f Lantanoides 5d 6p7s 5f Actinoides 6d ~

    Labsqueda de patrones entre los elementos qumicos se inici en rea-lidad con el trabajo del qumico alemn [ohann Dobereiner en 1817.Este cientfico advirti que existan similitudes en cuanto a propieda-des entre diversos conjuntos de tres elementos, como calcio, estroncioy bario, por ejemplo, y llam "triadas" a estos grupos. Casi 50 aosdespus, [ohn Newlands, un refinador de azcar britnico, se dio cuenta de que,si los elementos se colocan en orden de peso atmico creciente, se repite un ci-clo de propiedades con cada ocho elementos. Newlands llam ley de las octavasa este patrn. En esa poca, los cientficos haban iniciado la bsqueda de unaunidad en las leyes fIsicascapaz de explicar todo, por lo que la correlacin de laorganizacin de los elementos con la escala musical pareca algo natural. Por des-gracia, la propuesta de Newlands fue motivo de risa para la mayora de los qu-micos de la poca. Tan slo unos cuantos aos ms tarde, el qumico ruso Dimi-tri Mendeleev ide de manera independiente el mismo concepto (sin vinculadocon la msica), el cual atrajo poca atencin hasta que el qumico alemn LotharMeyer public su informe sobre la relacin peridica. Meyer reconoci queMendeleev haba concebido la misma idea antes que l.

    Mendeleev y Meyer difIcilmente reconoceran nuestro diseo contempor-neo. En la propuesta de Mendeleev, los elementos conocidos en aquella pocaestaban organizados en un formato a ocho columnas en orden de masa atmicacreciente. Mendeleev afirmaba que cada octavo elemento tena propiedades simi-lares. Cada uno de los grupos del I al VII contena dos subgrupos, y el grupoVIII contena cuatro subgrupos. En la figura 2.1 se muestra la organizacin deuno de sus diseos. A fin de asegurar que los patrones de las propiedades de loselementos se ajustaran a la tabla, fue necesario dejar espacios vacos. Mendeleev

    N. del R. T. Se dice que los electrones lsejercen un efecto de apantallamiento sobre el elec-trn 2s porque actan como si interpusieran un filtro o pantalla entre el ncleo y este orbital.

    17

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  • 18 Captulo 2 Perspectiva general de la tabla peridica Or

    II III IV V VI VII VIIIH

    Li Be B C N O FNa Mg Al Si P S Cl

    K Ca Ti V Cr Mn FeNi CoCuCu? Zn As Se Br

    Rb Sr Yt Zr Nb Mo RuPd RhAgAg? Cd In Sn Sb Te 1

    Cs Ba Ce

    Er La Ta W Os Pt Ir AuAu? Hg TI Pb Bi

    Th U

    Figura 2.1 Organizacin de uno de los intentos de clasificacin de Mendeleev en la tabla peridica.

    supuso que estos espacios correspondan a elementos desconocidos, y sugiri quelas propiedades de los elementos faltantes se podan predecir con base en la qu-mica de los vecinos. Por ejemplo, el elemento faltante entre el silicio y el estao,llamado ekasilicio (Es) por Mendeleev, debera tener propiedades intermedias en-tre las del silicio y las del estao. En la tabla 2.1 se comparan las predicciones deMendeleev con las propiedades del germanio, descubierto 15 aos despus.

    Sin embargo, la tabla peridica de Mendeleev presentaba tres problemas im-portantes:

    1. Si se segua estrictamente el orden de masas atmicas crecientes, los ele-mentos no siempre encajaban en el grupo con propiedades coinciden-tes. As, por ejemplo, se tuvo que invertir el orden del nquel y el cobal-to, al igual que el del yodo y el telurio.

    2. Se estaban descubriendo elementos, como el holmio y el samario, porejemplo, para los que no se poda encontrar un espacio. Esta dificultadera particularmente embarazosa.

    3. En algunos casos, elementos del mismo grupo eran muy diferentes encuanto a su reactividad qumica. Esta discrepancia se presentaba espe-cialmente en el primer grupo, que contiene los metales alcalinos muyreactivos y los metales de acuacin muy poco reactivos (cobre, plata yoro).

    e

    Como ahora sabemos, la tabla tena otro defecto: para establecer un grupode elementos, al menos uno de ellos tena que ser conocido. Debido a que enaquella poca no se conocan los gases nobles, no se dej espacio para ellos. Porotra parte, algunos de los espacios de la tabla de Mendeleev eran totalmente err-neos; la razn de ello es que Mendeleev trat de distribuir los elementos en filas(periodos) repetitivos de ocho. Ahora sabemos, por supuesto, que la longitud de

    Tabla 2.1 Comparacin de las predicciones de Mendeleev para el ekasiliciocon las propiedades reales del germanio

    Peso Densidad Frmula FrmulaElemento atmico (g-crn") del xido del cloruro

    Ekasilicio 72 5.5 ES02 EsCl4Germanio 72.3 5.47 Ge02 GeCl4 FilE

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  • Organizacin de la tabla peridica moderna

    los periodos no siempre es de ocho miembros, sino que aumenta con regulari-dad; las filas sucesivas tienen 2, 8, 8, 18, 18, 32 Y32 elementos.

    La transicin decisiva hacia nuestras ideas modernas se debe al fisico britni-co Henry Moseley. Se haba descubierto que si se hace incidir un haz de rayos Xen un elemento, los tomos de ste emiten rayos X cuya longitud de onda es ca-racterstica de ese elemento. Moseley demostr que las longitudes de onda de losrayos X emitidos se ajustaban a una frmula que daba un entero especfico paracada elemento. Moseley indic que este entero coincida con el nmero de car-gas positivas del tomo del elemento. Al ordenar los elementos con arreglo a es-te nmero (el nmero atmico), se eliminaban las irregularidades de la tabla ba-sada en las masas atmicas y se definan con exactitud los espacios de la tabla paralos que an era necesario encontrar elementos.

    Poco "despus de su descubrimiento, Moseley fue recluta do durante la Pri-mera Guerra Mundial y muri en 1915 en la campaa de Gallipolli, a los 27 aosde edad. Muchos qumicos consideran que, de haber sobrevivido, habra llegadoa ser uno de los ms grandes cientficos del siglo. Extraamente, los Nobel nun-ca se otorgan de manera pstuma, por lo que el papel decisivo de Moseley jamsrecibir este destacado reconocimiento. Tampoco se ha dado nombre a un ele-mento en su honor, no obstante que muchos otros cientficos se han hechoacreedores a esta distincin.

    Organizacin de ~atabla peridica moderna

    le- En la tabla peridica moderna los elementos estn dispuestos en orden de nme-ro atmico (nmero de protones) creciente. La tabla ha tenido numerosos dise-os a lo largo de los aos, pero dos de los ms comunes son la forma larga y laforma corta. La forma extralarga (Figura 2.2) muestra todos los elementos en or-den numrico.

    El comienzo de un nuevo periodo siempre corresponde a la introduccin delprimer electrn en el orbital s de un nuevo nmero cuntico principal. El nme-ro de elementos de cada periodo corresponde al nmero de electrones que se ne-cesitan para llenar esos orbitales (Figura 2.3). En un periodo determinado, el n-mero cuntico principal de los orbitales p es igual al de los orbitales s, en tantoque el de los orbitales d es una unidad menor y el de los orbitales tiene dos uni-dades menos. Los grupos de elementos representativos corresponden a los ele-mentos en los que se estn ocupando los orbitales s y p; los metales de transicinson elementos en los que se estn ocupando los orbitales d.

    Cada grupo contiene elementos de configuracin electrnica similar. Porejemplo, todos los elementos del grupo 1 tienen un electrn externo ns\ donden es el nmero cuntico principal. Aunque los elementos de un grupo tienenpropiedades similares, es importante entender que cada elemento tiene su pro-pio carcter peculiar. As, por ejemplo, aunque el nitrgeno y el