¿Qué ion forma cada elemento? Problemas de partículas, isótopos e iones

Explicación

Errores frecuentes

• ErrorPensar que el cloro (2, 8, 7) pierde 7 electrones y forma $\text{Cl}^{7+}$.

  Cómo corregirloEs mucho más fácil ganar 1 electrón que perder 7: el cloro forma $\text{Cl}^{-}$.

• ErrorCreer que $\text{Na}^{+}$ se ha convertido en neón porque tiene sus mismos electrones.

  Cómo corregirloSigue teniendo 11 protones: es sodio. Tiene los mismos electrones que el neón (es isoelectrónico), pero no es neón.

• ErrorConfundir isótopos con iones del mismo elemento.

  Cómo corregirloLos isótopos se diferencian en los neutrones; los iones, en los electrones. Los dos tienen el mismo número de protones.

Ejemplos resueltos

1. Ejemplo 1. Del diagrama de capas al ion razonamiento (predecir la carga)

   Predice el ion más probable de: a) sodio ($Z = 11$); b) aluminio ($Z = 13$); c) fósforo ($Z = 15$); d) azufre ($Z = 16$). Indica en cada caso a qué gas noble se parece el ion.

   Resolución

   Elemento	Capas	¿Qué hace?	Ion	Electrones	Como el…
   Na	2, 8, 1	pierde 1	$\text{Na}^{+}$	10 (2, 8)	neón
   Al	2, 8, 3	pierde 3	$\text{Al}^{3+}$	10 (2, 8)	neón
   P	2, 8, 5	gana 3	$\text{P}^{3-}$	18 (2, 8, 8)	argón
   S	2, 8, 6	gana 2	$\text{S}^{2-}$	18 (2, 8, 8)	argón

   Los metales (Na, Al) pierden electrones y quedan como el gas noble anterior; los no metales (P, S) los ganan y quedan como el gas noble siguiente.

2. Ejemplo 2. La familia del neón numérico (especies isoelectrónicas)

   De la siguiente lista, agrupa las especies que tienen el mismo número de electrones: $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$, $\text{K}^{+}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{S}^{2-}$, $\text{Ne}$, $\text{Ar}$. (Datos: $Z$: O = 8, F = 9, Ne = 10, Na = 11, Mg = 12, S = 16, Cl = 17, Ar = 18, K = 19, Ca = 20.)

   Resolución

   Electrones $= Z - \text{carga}$:

   • $\text{Na}^{+}$: $11 - 1 = 10$; $\text{O}^{2-}$: $8 + 2 = 10$; $\text{F}^{-}$: $9 + 1 = 10$; $\text{Mg}^{2+}$: $12 - 2 = 10$; $\text{Ne}$: 10.
   • $\text{Cl}^{-}$: $17 + 1 = 18$; $\text{K}^{+}$: $19 - 1 = 18$; $\text{Ca}^{2+}$: $20 - 2 = 18$; $\text{S}^{2-}$: $16 + 2 = 18$; $\text{Ar}$: 18.

   Grupo de 10 electrones (como el neón): $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Ne}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Mg}^{2+}$. Grupo de 18 electrones (como el argón): $\text{S}^{2-}$, $\text{Cl}^{-}$, $\text{Ar}$, $\text{K}^{+}$, $\text{Ca}^{2+}$.

   Todas las especies de un grupo tienen los mismos electrones, pero distinto número de protones: son elementos distintos.

3. Ejemplo 3. Un problema completo del átomo problema integrado (isótopos e iones)

   Tenemos cuatro especies:

   • X: 17 protones, 18 neutrones, 18 electrones.
   • Y: $Z = 17$, $A = 37$, neutra.
   • W: 18 protones, 22 neutrones, 18 electrones.
   • V: 19 protones, 20 neutrones, 18 electrones. a) Identifica cada una y escríbela con la notación ${}^{A}_{Z}\text{X}^{\text{carga}}$. b) ¿Cuáles son isótopos entre sí? c) ¿Cuáles son isoelectrónicas?

   Resolución

   a)

   • X: $Z = 17$ (cloro); $A = 17 + 18 = 35$; carga $17 - 18 = -1$ → ${}^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.
   • Y: cloro; neutrones $37 - 17 = 20$; 17 electrones → ${}^{37}_{17}\text{Cl}$.
   • W: $Z = 18$ (argón); $A = 40$; neutro → ${}^{40}_{18}\text{Ar}$.
   • V: $Z = 19$ (potasio); $A = 39$; carga $19 - 18 = +1$ → ${}^{39}_{19}\text{K}^{+}$.

   b) X e Y tienen el mismo $Z$ (17) y distinto $A$ (35 y 37): son isótopos del cloro (aunque X además esté ionizado).

   c) X, W y V tienen 18 electrones: son isoelectrónicas (como el argón). Y tiene 17.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. 1. Fácil

   Predice el ion más probable de cada elemento e indica si es catión o anión: a) litio ($Z = 3$); b) calcio ($Z = 20$); c) flúor ($Z = 9$); d) oxígeno ($Z = 8$); e) potasio ($Z = 19$); f) nitrógeno ($Z = 7$).

   Ver solución

   a) $\text{Li}^{+}$, catión. b) $\text{Ca}^{2+}$, catión. c) $\text{F}^{-}$, anión. d) $\text{O}^{2-}$, anión. e) $\text{K}^{+}$, catión. f) $\text{N}^{3-}$, anión.

   Capas: Li 2, 1 (pierde 1); Ca 2, 8, 8, 2 (pierde 2); F 2, 7 (gana 1); O 2, 6 (gana 2); K 2, 8, 8, 1 (pierde 1); N 2, 5 (gana 3).

2. 2. Fácil

   Explica por qué el neón ($Z = 10$) y el argón ($Z = 18$) no forman iones, y por qué el magnesio forma $\text{Mg}^{2+}$ y no $\text{Mg}^{6-}$.

   Ver solución

   Ne (2, 8) y Ar (2, 8, 8) ya tienen la última capa completa. El Mg (2, 8, 2) pierde 2 electrones, que es mucho más fácil que ganar 6.

   El neón y el argón tienen la última capa completa: son estables y no necesitan ganar ni perder electrones. El magnesio (2, 8, 2) puede quedar como el neón perdiendo 2 electrones o como el argón ganando 6; perder 2 cuesta mucho menos, así que forma $\text{Mg}^{2+}$.

3. 3. Media

   Completa la tabla:

   Especie	$Z$	$A$	Protones	Neutrones	Electrones	Carga
   ?	12	25			10
   ?			9	10	10
   ${}^{39}_{19}\text{K}^{+}$
   ?	16			18		$2-$
   ?			13	14	13

   Ver solución

   ${}^{25}_{12}\text{Mg}^{2+}$: 12 p, 13 n, carga 2+. ${}^{19}_{9}\text{F}^{-}$: Z 9, A 19, carga −1. ${}^{39}_{19}\text{K}^{+}$: Z 19, A 39, 19 p, 20 n, 18 e, +1. ${}^{34}_{16}\text{S}^{2-}$: A 34, 16 p, 18 e. ${}^{27}_{13}\text{Al}$: Z 13, A 27, neutro.

   • Fila 1: protones 12 (magnesio); $N = 25 - 12 = 13$; carga $12 - 10 = +2$ → ${}^{25}_{12}\text{Mg}^{2+}$.
   • Fila 2: $Z = 9$ (flúor); $A = 9 + 10 = 19$; carga $9 - 10 = -1$ → ${}^{19}_{9}\text{F}^{-}$.
   • Fila 3: $Z = 19$, $A = 39$; 19 p; $39 - 19 = 20$ n; $19 - 1 = 18$ e; carga $+1$.
   • Fila 4: azufre; 16 p; $A = 16 + 18 = 34$; e $= 16 + 2 = 18$ → ${}^{34}_{16}\text{S}^{2-}$.
   • Fila 5: $Z = 13$ (aluminio); $A = 27$; carga 0 → ${}^{27}_{13}\text{Al}$ (átomo neutro).

4. 4. Media

   El estroncio ($Z = 38$) y el bario ($Z = 56$) están en la misma columna de la tabla periódica que el magnesio y el calcio; el bromo ($Z = 35$) y el yodo ($Z = 53$), en la misma que el flúor y el cloro. a) Predice el ion de cada uno. b) Calcula los electrones de cada ion. c) ¿Qué parejas son isoelectrónicas?

   Ver solución

   a) $\text{Sr}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$, $\text{Br}^{-}$, $\text{I}^{-}$. b) 36, 54, 36, 54. c) $\text{Sr}^{2+}$ y $\text{Br}^{-}$ (36 e); $\text{Ba}^{2+}$ e $\text{I}^{-}$ (54 e).

   a) Misma columna que Mg y Ca → 2 electrones en la última capa → $\text{Sr}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$. Misma columna que F y Cl → 7 electrones en la última capa → $\text{Br}^{-}$, $\text{I}^{-}$. b) $\text{Sr}^{2+}$: $38 - 2 = 36$; $\text{Ba}^{2+}$: $56 - 2 = 54$; $\text{Br}^{-}$: $35 + 1 = 36$; $\text{I}^{-}$: $53 + 1 = 54$. c) $\text{Sr}^{2+}$ y $\text{Br}^{-}$ (36, como el criptón); $\text{Ba}^{2+}$ e $\text{I}^{-}$ (54, como el xenón).

5. 5. Media

   Agrupa en especies isoelectrónicas: $\text{Li}^{+}$, $\text{N}^{3-}$, $\text{He}$, $\text{Al}^{3+}$, $\text{P}^{3-}$, $\text{Be}^{2+}$, $\text{K}^{+}$, $\text{Ne}$. ($Z$: He = 2, Li = 3, Be = 4, N = 7, Ne = 10, Al = 13, P = 15, K = 19.)

   Ver solución

   2 e: $\text{He}$, $\text{Li}^{+}$, $\text{Be}^{2+}$. 10 e: $\text{N}^{3-}$, $\text{Ne}$, $\text{Al}^{3+}$. 18 e: $\text{P}^{3-}$, $\text{K}^{+}$.

   Electrones: $\text{Li}^{+}$: 2; $\text{N}^{3-}$: $7 + 3 = 10$; He: 2; $\text{Al}^{3+}$: $13 - 3 = 10$; $\text{P}^{3-}$: $15 + 3 = 18$; $\text{Be}^{2+}$: 2; $\text{K}^{+}$: 18; Ne: 10. Grupos: 2 e⁻ (como el helio): He, $\text{Li}^{+}$, $\text{Be}^{2+}$. 10 e⁻: $\text{N}^{3-}$, Ne, $\text{Al}^{3+}$. 18 e⁻: $\text{P}^{3-}$, $\text{K}^{+}$.

6. 6. Difícil

   La especie A tiene 12 protones, 12 neutrones y 10 electrones. La especie B tiene 12 protones, 14 neutrones y 12 electrones. a) ¿Son del mismo elemento? ¿Cuál? b) Escribe cada una con su notación completa. ¿Son isótopos? c) ¿En qué se diferencian, además del número de neutrones?

   Ver solución

   a) Sí, magnesio (Z = 12). b) A = ${}^{24}_{12}\text{Mg}^{2+}$; B = ${}^{26}_{12}\text{Mg}$. Sí, son isótopos (mismo Z, distinto A). c) A es un catión (ha perdido 2 electrones); B es un átomo neutro.

   a) Las dos tienen 12 protones → magnesio. b) A: $A = 12 + 12 = 24$, carga $12 - 10 = +2$ → ${}^{24}_{12}\text{Mg}^{2+}$. B: $A = 12 + 14 = 26$, carga 0 → ${}^{26}_{12}\text{Mg}$. Tienen el mismo $Z$ y distinto $A$: los núcleos corresponden a isótopos distintos del magnesio. c) En los electrones: A es un catión $2+$ (10 e⁻) y B un átomo neutro (12 e⁻).

Para practicar más

1. 1. Fácil

   Predice el ion más probable de: a) berilio ($Z = 4$); b) aluminio ($Z = 13$); c) azufre ($Z = 16$); d) cloro ($Z = 17$); e) rubidio, que tiene 1 electrón en su última capa ($Z = 37$).

   Ver solución

   a) $\text{Be}^{2+}$. b) $\text{Al}^{3+}$. c) $\text{S}^{2-}$. d) $\text{Cl}^{-}$. e) $\text{Rb}^{+}$.

   Be 2, 2 → pierde 2; Al 2, 8, 3 → pierde 3; S 2, 8, 6 → gana 2; Cl 2, 8, 7 → gana 1; Rb (1 e⁻ en la última capa) → pierde 1.

2. 2. Fácil

   Usando la distribución en capas, explica por qué el sodio forma $\text{Na}^{+}$ y no $\text{Na}^{-}$.

   Ver solución

   Na: 2, 8, 1. Perdiendo 1 electrón queda 2, 8 (como el neón); ganando 1 quedaría 2, 8, 2, sin completar la última capa.

   El sodio tiene 2, 8, 1. Si pierde su único electrón de la última capa, queda 2, 8: la última capa completa, como el neón. Si ganara uno, quedaría 2, 8, 2, que no es más estable. Por eso forma $\text{Na}^{+}$.

3. 3. Media

   Completa la tabla:

   Especie	$Z$	$A$	Protones	Neutrones	Electrones
   ${}^{7}_{3}\text{Li}^{+}$
   ${}^{14}_{7}\text{N}^{3-}$
   ? (anión $1-$)	53	127
   ?		32	16		16

   Ver solución

   Li⁺: 3, 7, 3, 4, 2. N³⁻: 7, 14, 7, 7, 10. ${}^{127}_{53}\text{I}^{-}$: 53 p, 74 n, 54 e. ${}^{32}_{16}\text{S}$: Z 16, 16 n, átomo neutro.

   • $\text{Li}^{+}$: $N = 7 - 3 = 4$; $e = 3 - 1 = 2$.
   • $\text{N}^{3-}$: $N = 14 - 7 = 7$; $e = 7 + 3 = 10$.
   • $Z = 53$ es el yodo: ${}^{127}_{53}\text{I}^{-}$; $N = 127 - 53 = 74$; $e = 53 + 1 = 54$.
   • 16 protones → azufre, $Z = 16$; $N = 32 - 16 = 16$; 16 electrones → neutro: ${}^{32}_{16}\text{S}$.

4. 4. Media

   ¿Cuáles de estas especies son isoelectrónicas con el argón ($Z = 18$)? $\text{S}^{2-}$, $\text{Cl}^{-}$, $\text{K}^{+}$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{P}^{3-}$. ($Z$: Na = 11, P = 15, S = 16, Cl = 17, K = 19, Ca = 20.)

   Ver solución

   Todas menos $\text{Na}^{+}$ (que tiene 10 electrones).

   Electrones: $\text{S}^{2-}$ 18; $\text{Cl}^{-}$ 18; $\text{K}^{+}$ 18; $\text{Ca}^{2+}$ 18; $\text{Na}^{+}$ $11 - 1 = 10$; $\text{P}^{3-}$ $15 + 3 = 18$. Todas tienen 18 salvo $\text{Na}^{+}$, que es isoelectrónico con el neón.

5. 5. Media

   Un elemento X tiene la distribución 2, 8, 6 en su átomo neutro. a) ¿Cuál es su número atómico y qué elemento es? b) ¿Qué ion formará? ¿Es metal o no metal? c) ¿Cuántos electrones tiene el ion y a qué gas noble se parece?

   Ver solución

   a) Z = 16, azufre. b) $\text{S}^{2-}$; no metal. c) 18 electrones, como el argón.

   a) $2 + 8 + 6 = 16$ → azufre. b) Le faltan 2 electrones para completar la última capa: gana 2 → $\text{S}^{2-}$. Tiende a ganar electrones: es un no metal. c) $16 + 2 = 18$ electrones (2, 8, 8), como el argón.

6. 6. Difícil

   Observa estas tres especies: ${}^{40}_{18}\text{Ar}$, ${}^{40}_{19}\text{K}^{+}$ y ${}^{40}_{20}\text{Ca}^{2+}$. a) Calcula protones, neutrones y electrones de cada una. b) ¿Qué tienen en común? c) ¿Son isótopos? Razónalo.

   Ver solución

   a) Ar: 18, 22, 18. K⁺: 19, 21, 18. Ca²⁺: 20, 20, 18. b) El mismo número másico (40) y el mismo número de electrones (18): son isoelectrónicas. c) No: tienen distinto número de protones (son elementos distintos).

   a) Ar: 18 p, $40 - 18 = 22$ n, 18 e. $\text{K}^{+}$: 19 p, $40 - 19 = 21$ n, $19 - 1 = 18$ e. $\text{Ca}^{2+}$: 20 p, $40 - 20 = 20$ n, $20 - 2 = 18$ e. b) Las tres tienen $A = 40$ y 18 electrones (son isoelectrónicas). c) No son isótopos: tienen distinto $Z$ (18, 19 y 20), así que son elementos distintos. Tener el mismo $A$ o los mismos electrones no basta.