Esta secuencia didáctica aborda los siguientes temas: 1. Estructura atómica 2. Masa y número atómicos 3. Cálculo de la masa relativa 4. Isótopos 5. Configuración electrónica 6. Espectrómetro de masas Hoja de ejercicios: https://www.slideshare.net/Regaladiux/estructura-atmica-hoja-de-ejerciciospdf

1. Dr Omar Rafael Regalado Fernández
QUÍMICA – NIVEL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR
QUÍMICA FÍSICA | 1
Tema: Estructura atómica
1. Observa la información sobre un átomo de cloro y un ion óxido.
a) Completa la tabla para mostrar el número de protones, neutrones y electrones en cada
átomo.
Átomo de cloro, Cl Ion óxido, O–2
Número de protones 17 8
Número de neutrones 20 8
Número de electrones 17 10
b) ¿Qué te dice la información anterior sobre la posición del cloro y el oxígeno en la tabla
periódica?
Indica su posición ya que el número de protones da la identidad (número atómico): el
oxígeno viene antes que el cloro porque tiene un número atómico de 8, y el cloro de 17.
c) Un átomo tiene el doble de protones y cuatro neutrones más que un átomo de 9Be.
Deduzca el símbolo, incluido el número de masa, de este átomo.
9Be tiene 4 protones (número atómico 3) y 5 neutrones.
17O tiene 8 protones y 9 neutrones (masa atómica de 17).
d) Define los términos:
i) número de masa de un átomo.
Número de nucleones (=protones y neutrones).
ii) masa molecular relativa.
Masa media o media de una molécula relativa a la de 1/12 de la masa de un átomo de 12C.
También se define como la masa de un mol de moléculas.
e) i) Completa la disposición electrónica para un átomo de cobre.
El cobre tiene 29 electrones.
Usando el principio de Aufbau:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9
Los orbitales d medio llenos o llenos son más estables que aquellos con un electrón menos.
Es decir, un orbital d con 9 electrones robará un electrón para alcanzar la estabilidad (nivel
completo); un orbital d con 6 electrones cederá un electrón para alcanzar la estabilidad (nivel
medio completo).
El orbital d puede tomar 10 electrones.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
Esto significa que el 4s1 se ionizaría primero (electrón desapareado).
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1
ii) Identifica el bloque de la Tabla periódica al que pertenece el cobre.
El cobre está en el bloque d porque sus electrones alcanzan el orbital d.

2. Dr Omar Rafael Regalado Fernández
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iii) Deduce el número de neutrones en un átomo de 65Cu.
El cobre tiene 29 electrones, por lo que 65Cu tiene 36 neutrones.
2. El diagrama de la Figura 1 muestra el comportamiento de las tres partículas fundamentales
cuando pasan a través de un campo eléctrico.
Figura 1
a) Identifica las partículas representadas por las letras A, B y C.
A = electrón, B = neutrón y C = protón
b) Explica las formas y direcciones de los caminos trazados por las partículas
fundamentales a su paso por el campo eléctrico.
El neutrón (n0), B, no tiene carga y por lo tanto no se desvía de su trayectoria.
El protón (p+), C, y el electrón (e–), A, son atraídos a las placas negativa y positiva
respectivamente.
La masa del p+ es mayor que la masa del e-, por lo que se desvía menos (masa C > masa A).
c) La Figura 2 es un diagrama simplificado de un espectrómetro de masas.
Figura 2
i) Indica y explica la finalidad de la parte del espectrómetro de masas especificada
con la letra P.
muestra
campo eléctrico
imán
bomba de
vacío

3. Dr Omar Rafael Regalado Fernández
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Produce una corriente de electrones que es bombardeada hacia el átomo, lo que elimina
electrones de los átomos de la muestra causando la formación de iones positivos.
ii) Indica la finalidad del campo eléctrico, del imán y de la parte etiquetada como Q.
Campo eléctrico: acelerar iones positivos
Imán: para desviar/doblar la corriente de iones
Q (detector): para contar la abundancia relativa de los iones
3. Se encontró que una muestra de hierro de un meteorito contenía los isótopos 54Fe, 56Fe y 57Fe.
a) Las abundancias relativas de estos isótopos se pueden determinar utilizando un
espectrómetro de masas. En el espectrómetro de masas, la muestra se vaporiza primero y luego
se ioniza.
i) Indica qué se entiende por el término isótopos.
Átomos con el mismo número de protones (mismo número atómico), por lo tanto, del mismo
elemento, pero diferente número de neutrones (diferente número de masa).
ii) Explica cómo, en un espectrómetro de masas, se detectan los iones y cómo se
mide su abundancia.
Los iones positivos chocan con o son dirigidos o desviados hacia el detector. Esto hace que
fluya una corriente.
La abundancia se mide por el voltaje de la corriente, que depende de
abundancia/número de iones que golpean el detector.
b) Las abundancias relativas de los isótopos en esta muestra de hierro produjeron el
espectrograma de la Figura 3. Estos datos se pueden utilizar para calcular la masa atómica
relativa de hierro en esta muestra.
Figura 3
i) Utiliza los datos anteriores para calcular la masa atómica relativa de hierro en esta
muestra. Da tu respuesta a un decimal.
𝑨𝒓 =
(𝟓𝟒 × 𝟓. 𝟖) + (𝟓𝟓 × 𝟗𝟏. 𝟔) + (𝟓𝟔 × 𝟐. 𝟔)
𝟏𝟎𝟎
=
𝟓𝟒𝟗𝟔. 𝟖
𝟏𝟎𝟎
= 𝟓𝟒. 𝟗𝟔 ≈ 𝟓𝟒. 𝟗
5.8
91.6
2.6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
Abundancia
relativa
m/z

4. Dr Omar Rafael Regalado Fernández
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ii) Da la disposición electrónica de los átomos de hierro y el ion Fe+2.
El hierro tiene 26 electrones.
Usando el principio de Aufbau:1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Los orbitales d medio llenos o llenos son más estables que aquellos con un electrón menos.
El orbital d puede tomar 10 electrones.
Esto significa que el 4s2 se ionizaría primero al hacer iones, ya que es más probable que el
orbital d reciba electrones a que los pierda.
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
Para Fe+2 eliminamos dos electrones: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6
iii) Indica por qué se coloca el hierro en el bloque d de la Tabla periódica.
El hierro está en el bloque d porque sus electrones alcanzan el orbital d.
c) Se encontró que la misma muestra de meteorito contenía tres isótopos del elemento X.
Un espectrómetro de masas dio la siguiente información sobre estos isótopos.
m/z 24.0 25.0 26.0
Abundancia relativa 64.2 20.3 15.5
i) Calcula la masa atómica relativa de X.
𝑨𝒓 =
(𝟐𝟒 × 𝟔𝟒. 𝟐) + (𝟐𝟓 × 𝟐𝟎. 𝟑) + (𝟐𝟔 × 𝟏𝟓. 𝟓)
𝟏𝟎𝟎
=
𝟐𝟒𝟓𝟏. 𝟑
𝟏𝟎𝟎
= 𝟐𝟒. 𝟓𝟏𝟑
ii) Usando la tabla periódica, sugiere la identidad más probable del elemento X.
Sugiere una razón por la cual la masa atómica relativa de X dada en la tabla periódica difiere de
tu respuesta calculada en c(i).
El elemento más cercano a este valor es el magnesio (Mg) con un Ar = 24.305. La
composición isotópica en el meteorito es diferente a la del magnesio en la Tierra.
d) Una muestra de cobre contiene los dos isótopos 63Cu y 65Cu solamente. Tiene una masa
atómica relativa (Ar) inferior a 64. El espectro de masas de esta muestra picos principales con
valores m/z de 63 y 65, respectivamente.
i) Explica por qué la Ar de esta muestra es inferior a 64.
Si hubiera la misma cantidad de iones 63Cu y 65Cu, el promedio de la masa sería
𝑨𝒓 =
𝟔𝟑 + 𝟔𝟓
𝟐
= 𝟔𝟒
Pero como hay más 63Cu que 65Cu, la masa atómica relativa se acerca más hacia al valor de
63.
ii) Explica cómo los átomos de Cu se convierten en iones Cu+ en un espectrómetro
de masas.
La pistola de electrones libera electrones de alta velocidad y energía que eliminan un
electrón del átomo de Cu.

5. Dr Omar Rafael Regalado Fernández
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QUÍMICA FÍSICA | 5
Cu(g)  Cu+
(g) + e-
iii) Además de los picos principales en m/z = 63 y 65, picos mucho más pequeños
en m/z = 31.5 y 32.5 también están presentes en el espectro de masas. Identifica el ion
responsable del pico en m/z = 31.5 en el espectro de masas. Explica por qué el ion elegido tiene
este valor m/ z y sugiere una razón por la cual este pico es muy pequeño.
Ion: 63Cu2+, ya que tendría un pico en m/z = 63/2 = 31.5.
El pico es pequeño porque se produjeron pocos de estos iones, ya que se necesita más
energía para eliminar el segundo electrón. La segunda energía de ionización es mayor que
la primera.
63Cu2+ es estadísticamente menos probable que exista debido a lo poco probable que es
eliminar el segundo electrón con la pistola de electrones.
4. El siguiente diagrama muestra la estructura electrónica del boro.
a) Los electrones están representados por flechas. ¿Qué propiedad de los electrones
representan estas flechas "arriba" y "abajo"? El espín electrónico.
b) Sugiere por qué los electrones que ocupan los subniveles 2p tienen una energía más
alta que los electrones en el subnivel 2s.
Porque están más alejados del núcleo y no son atraídos con la misma fuerza por los
protones.
i) Explica el significado del término energía de primera ionización.
Energía para eliminar 1 mol electrones de un 1 mol de átomos en estado gaseoso.
ii) Explica por qué el boro tiene una energía de primera ionización más baja que el
berilio.
El electrón externo de Be está en un orbital s (2s). El electrón externo de B está en un orbital
p (2p). El electrón externo de B es más alto en energía.
iii) Explica por qué la primera ionización del helio es muy grande.
El electrón no está separado del núcleo por otros electrones con carga negativa que los
repela (efecto pantalla).
Energía

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QUÍMICA FÍSICA | 6
c) El siguiente diagrama muestra la variación en la energía de primera ionización a lo largo
del Período 3.
Primera
energía de
ionización
Na Mg Al Si P S Cl Ar
Elementos del periodo 3
i) ¿Cuál es el número máximo de electrones que se pueden acomodar en un
subnivel s? 2
ii) ¿Qué pruebas del diagrama respaldan tu respuesta en la parte c(i)? Dos
elementos (o Na y Mg) antes de la caída de energía a Al.
(iii) ¿Qué evidencia del diagrama apoya el hecho de que el subnivel 3 es más alto
en energía que el 3s? La energía de ionización (Ia) de Al < la de Mg.
(iv) ¿Qué evidencia del diagrama apoya el hecho de que no se pueden acomodar
más de tres electrones desapareados en el subnivel 3p?

7. Dr Omar Rafael Regalado Fernández
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La caída de la energía de P a S (o discontinuidad en la tendencia). De Al a P hay 3 electrones
adicionales.
d) Escribe la configuración electrónica del aluminio, fósforo y silicio.
Al: [Ne] 3s² 3p¹
Si: [Ne] 3s²3p²
P: [Ne] 3s²3p³
e) Los iones acelerados proceden de una muestra de criptón que ha sido ionizada de la
siguiente manera:
Kr(g)  Kr+
(g) + e-
Escribe la notación de la caja de la configuración electrónica para el ion de kriptón.
Kr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6
Kr+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
1s 2s 2px 2pxz 2pxy
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
3s 3pxy 3pxz 3pxy 4s
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑
3dyz 3dxy 3dz
2 3dxz 3dx
2
y
2 4pxy 4pxz 4pxy