Exercicis de l'àtom i l'enllaç químic — Física i Química 4t ESO

El nombre atòmic (12) és el nombre de protons: 12 protons.
En un àtom neutre, els electrons igualen els protons: 12 electrons.
Els neutrons són el nombre màssic menys els protons: 24 - 12 = 12 neutrons.

Per als grups principals, el número de grup indica els electrons de valència.
Grup 1 → 1 electró de valència.
Són els metalls alcalins, com el sodi.

Un ió (catió si queda positiu, anió si queda negatiu).

Protó: càrrega +1 (positiva); es troba al nucli.
Neutró: càrrega 0 (no en té); es troba al nucli.
Electró: càrrega -1 (negativa); es mou a l'escorça, al voltant del nucli.
La massa del protó i la del neutró són gairebé iguals i unes 1800 vegades la de l'electró; per això gairebé tota la massa de l'àtom és al nucli.

a) Model de Thomson: l'àtom és una esfera positiva neutralitzada pels electrons que hi són incrustats.
b) Model de Bohr: els electrons només poden ocupar òrbites (nivells) amb energies determinades i no emeten energia mentre hi són.
c) Model de Rutherford: el nucli, petit i dens, concentra la càrrega positiva i la massa; els electrons giren al seu voltant en un espai gairebé buit.
Ordre cronològic dels models: Thomson, Rutherford i Bohr.

Els isòtops d'un element tenen el mateix nombre atòmic (Z, nombre de protons) i diferent nombre màssic (A).
X i Y tenen Z = 6 (són carboni) però A diferent (12 i 14): són isòtops.
Neutrons = A - Z: X, 12 - 6 = 6 neutrons; Y, 14 - 6 = 8 neutrons; W, 14 - 7 = 7 neutrons.
Y i W tenen el mateix A però Z diferent (W és nitrogen): no són isòtops, són elements diferents.

Un àtom neutre té tants electrons com protons (Z). Un catió ha perdut electrons i un anió n'ha guanyat.
Mg²⁺: ha perdut 2 electrons, 12 - 2 = 10 electrons.
Cl^-: ha guanyat 1 electró, 17 + 1 = 18 electrons.
Al³⁺: ha perdut 3 electrons, 13 - 3 = 10 electrons.
Observa que Mg²⁺ i Al³⁺ tenen 10 electrons, com el neó.

Criteri: metall + no-metall, iònic; no-metall + no-metall, covalent; només àtoms d'un metall, metàl·lic.
NaCl: iònic (metall Na + no-metall Cl). MgO: iònic (metall Mg + no-metall O).
H₂O, CO₂ i N₂: covalents (tots els àtoms són no-metalls que comparteixen electrons).
Fe: metàl·lic (àtoms d'un metall amb els electrons de valència deslocalitzats).

Electrons totals: 2 + 8 + 6 = 16. En un àtom neutre són també els protons: Z = 16.
Període: coincideix amb el nombre de capes ocupades, 3.
Grup: té 6 electrons de valència a l'última capa, per tant és del grup 16 (els grups 13 a 18 tenen de 3 a 8 electrons de valència).
L'element amb Z = 16, període 3 i grup 16 és el sofre (S).

a) Falsa. En el cristall de NaCl els ions Na⁺ i Cl^- estan fixos i no es poden moure; condueix només fos o dissolt en aigua, quan els ions són lliures.
b) Certa. Les capes d'àtoms metàl·lics poden lliscar unes sobre les altres sense trencar l'enllaç, perquè els electrons deslocalitzats mantenen units els àtoms.
c) Certa. Cal molta energia per vèncer les forces electrostàtiques fortes entre els ions de la xarxa cristal·lina; el NaCl fon a 801 °C.

7: en un àtom neutre, el nombre d'electrons és igual al de protons.

Omplim els nivells per ordre fins a 11 electrons: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.
Comprovació: 2 + 2 + 6 + 1 = 11.
A l'última capa (n = 3) hi ha 3s¹: 1 electró de valència.

A - Z = 35 - 17 = 18 neutrons.

El mateix nombre d'electrons de valència, i per això tenen propietats semblants.

Nombre atòmic = nombre de protons: Z = 26.
Nombre màssic = protons + neutrons: A = 26 + 30 = 56.
Càrrega = protons - electrons = 26 - 24 = +2, per tant és un catió que ha perdut 2 electrons.
A la taula periòdica, l'element amb Z = 26 és el ferro: l'ió és Fe²⁺ (ferro-56).

Oxigen (8 electrons): 1s² 2s² 2p⁴. Electrons de valència (capa 2): 2 + 4 = 6.
Sofre (16 electrons): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Electrons de valència (capa 3): 2 + 4 = 6.
Tots dos tenen 6 electrons de valència (configuració externa ns² np⁴): són del mateix grup (16) i, com que les propietats químiques depenen dels electrons de valència, es comporten de manera semblant; per exemple, tendeixen a guanyar 2 electrons i formen els ions $O^{2-}$ i $S^{2-}$.

Calci (20 electrons): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². Té 2 electrons de valència (4s²).
L'ió Ca²⁺ ha perdut aquests dos electrons (en té 18): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.
Aquesta configuració és la de l'argó (Z = 18), un gas noble amb l'última capa plena (8 electrons).
El calci perd 2 electrons perquè així aconsegueix la configuració estable de gas noble; no en perd 3 perquè hauria d'arrencar un electró de la capa 3, ja plena, cosa que costaria molta més energia.

Els tres tenen els electrons de valència a la tercera capa (període 3). Dins d'un període, el radi atòmic disminueix d'esquerra a dreta: cada element té un protó més al nucli, que atrau amb més força els electrons de la mateixa capa.
Ordre de menor a major radi: Cl < Mg < Na.
El potassi és al mateix grup que el sodi, però té una capa més (període 4 en lloc de 3). Dins d'un grup el radi augmenta de dalt a baix, per tant l'àtom de potassi és més gran que el de sodi.

Potassi (19 electrons): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹. Perd l'electró de valència i forma $K^{+}$, amb configuració d'argó.
Sofre (16 electrons): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. Guanya 2 electrons per completar l'octet i forma $S^{2-}$, també amb configuració d'argó.
Cada $S^{2-}$ necessita 2 ions $K^{+}$ perquè el conjunt sigui neutre: 2·(+1) + (-2) = 0.
Els ions de signe contrari s'atrauen electrostàticament (enllaç iònic) i la fórmula és $K_{2}S$.

Oxigen: 1s² 2s² 2p⁴, 6 electrons de valència; li'n falten 2 per arribar a 8, per tant forma 2 enllaços i s'uneix a 2 H: H₂O.
Nitrogen: 1s² 2s² 2p³, 5 electrons de valència; li'n falten 3, per tant forma 3 enllaços: NH₃.
Carboni: 1s² 2s² 2p², 4 electrons de valència; li'n falten 4, per tant forma 4 enllaços: CH₄.
L'hidrogen només té 1 electró i en necessita un més per completar la seva capa (2 electrons), així que forma 1 enllaç.

Substància A: enllaç iònic. El punt de fusió alt indica forces molt fortes entre les partícules (atracció electrostàtica entre ions de signe contrari en una xarxa cristal·lina). No condueix en estat sòlid perquè els ions estan fixos, però fosa o dissolta els ions es mouen i transporten el corrent.
Substància B: covalent molecular. Està formada per molècules neutres, sense ions ni electrons lliures, per això no condueix. El punt de fusió molt baix mostra que entre les molècules només hi ha forces molt febles, de manera que a temperatura ambient és un gas.

La massa atòmica mitjana és la mitjana ponderada segons l'abundància de cada isòtop.
0,75·35 + 0,25·37 = 26,25 + 9,25 = 35,5.
Per això a la taula periòdica la massa del clor és 35,5 u.

Perquè ja tenen l'última capa plena, així que són estables i no necessiten enllaçar-se.

Per l'enllaç metàl·lic: els electrons de valència queden lliures i compartits, i poden moure's per tot el metall.

Anomenem x la fracció de bor-10; la de bor-11 serà 1 - x. La massa atòmica mitjana és la mitjana ponderada: 10,8 = 10·x + 11·(1 - x).
10,8 = 10·x + 11 - 11·x = 11 - x, d'on x = 11 - 10,8 = 0,2.
Abundàncies: bor-10, 0,2 = 20 %; bor-11, 1 - 0,2 = 0,8 = 80 %.
Comprovació: 0,2·10 + 0,8·11 = 2 + 8,8 = 10,8 u.
Error típic: fer la mitjana aritmètica, (10 + 11)/2 = 10,5, que només seria correcta si els dos isòtops fossin igual d'abundants.

a) Capes 2, 8, 2: 12 electrons, per tant Z = 12. Configuració: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²; és el magnesi (Mg).
b) Té 3 capes: període 3; té 2 electrons de valència: grup 2.
c) Perd els 2 electrons de valència i queda amb la configuració del neó (1s² 2s² 2p⁶): forma el catió Mg²⁺.
d) El clor (3s² 3p⁵) guanya 1 electró i forma Cl^-. Cal 1 Mg²⁺ per cada 2 Cl^- perquè el compost sigui neutre: MgCl₂ (enllaç iònic).

NaCl: enllaç iònic. Forma una xarxa cristal·lina d'ions Na⁺ i Cl^- units per forces electrostàtiques fortes en totes direccions; cal molta energia per separar-los, i per això el punt de fusió és alt.
És fràgil perquè, si una capa d'ions es desplaça, queden enfrontats ions del mateix signe, que es repel·leixen, i el cristall es trenca.
No condueix en estat sòlid perquè els ions estan fixos; fos o dissolt, els ions es mouen lliurement i transporten el corrent.
CO₂: enllaç covalent. Està format per molècules separades (O=C=O) amb enllaços interns forts, però entre molècules només hi ha forces molt febles; amb poca energia se separen i la substància és un gas. No té ions ni electrons lliures i no condueix.

Observacions: la major part de les partícules alfa (positives) travessaven la làmina sense desviar-se; unes poques es desviaven angles grans i molt poques rebotaven cap enrere.
Conclusions: com que gairebé totes passen, l'àtom és majoritàriament buit; com que algunes reboten, hi ha una zona molt petita, densa i amb càrrega positiva (el nucli) que concentra gairebé tota la massa; els electrons, de massa molt menor, giren al voltant del nucli.
Amb el model de Thomson (càrrega positiva repartida per tot l'àtom) cap partícula alfa no hauria de rebotar, perquè no hi hauria cap punt amb prou càrrega i massa concentrades per repel·lir-la.

Electrons: Ar = 18 (àtom neutre); K⁺ = 19 - 1 = 18; Ca²⁺ = 20 - 2 = 18; Cl^- = 17 + 1 = 18.
Configuració comuna: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ (última capa plena, amb 8 electrons).
Tenen el mateix nombre d'electrons però no de protons: 18, 19, 20 i 17. L'argó és un àtom neutre i estable, sense tendència a guanyar ni perdre electrons.
Els ions tenen càrrega neta (+1, +2 i -1), de manera que s'atrauen amb els ions de signe contrari i formen compostos iònics, com el KCl o el CaCl₂.

Els dos són enllaços covalents (només hi ha no-metalls, que comparteixen electrons).
N₂: cada N té 5 electrons de valència i en necessita 3 més per tenir-ne 8. Comparteixen 3 parells d'electrons (enllaç triple, N≡N) i cada N conserva 1 parell no compartit: 6 + 2 = 8 electrons al voltant de cada N.
CO₂: el C té 4 electrons de valència i cada O en té 6. El C comparteix 2 parells amb cada O (dos enllaços dobles, O=C=O) i cada O conserva 2 parells no compartits: C, 8 electrons; cada O, 4 + 4 = 8 electrons.
Comprovació: el CO₂ té 4 + 6 + 6 = 16 electrons de valència, i 4 parells compartits + 4 parells no compartits = 16 electrons.