Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2020

La tabla periódica es una ordenación de los elementos químicos de número atómico creciente, de manera que se consiguen agrupaciones de elementos con propiedades atómicas, físicas y químicas semejantes, y variaciones continuas de estas propiedades.

a) Determine la configuración electrónica de los elementos flúor, neón y sodio. Defina las propiedades periódicas: energía de ionización y afinidad electrónica. Justifique el signo y el orden de magnitud de la energía de ionización para los tres elementos. Justifique el orden de magnitud de la afinidad electrónica para los tres elementos. [1,25 puntos]
b) Justifique cuál es el ion más estable que se formará de cada uno de los tres elementos anteriores. Justifique cuál de los iones formados tiene un radio más pequeño. [1,25 puntos]

Datos: flúor, $Z = 9$; neón, $Z = 10$; sodio, $Z = 11$.

$\textbf{a) Determine la configuración electrónica de los elementos flúor, neón y sodio. Defina las propiedades periódicas energía de ionización y afinidad electrónica. Justifique el signo y el orden de magnitud de la energía de ionización para los tres elementos y el orden de magnitud de la afinidad electrónica. (1,25 puntos)}$

Las configuraciones se obtienen llenando los orbitales por orden creciente de energía:

$\mathrm{F}\ (Z = 9): \quad 1s^2\,2s^2\,2p^5$

$\mathrm{Ne}\ (Z = 10): \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6$

$\mathrm{Na}\ (Z = 11): \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$

Los tres son consecutivos, pero su situación es muy distinta: al flúor le falta un electrón para completar el nivel 2, el neón lo tiene completo y el sodio ya ha empezado el nivel 3 con un solo electrón.

La $\textbf{energía de ionización}$ es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más externo de un átomo neutro, en estado gaseoso y en su estado fundamental, dando el catión monopositivo:

$\mathrm{X}(g) + \mathrm{EI_1} \rightarrow \mathrm{X^+}(g) + e^-$

La $\textbf{afinidad electrónica}$ es la energía que se intercambia cuando un átomo neutro, gaseoso y en su estado fundamental capta un electrón y forma el anión mononegativo:

$\mathrm{X}(g) + e^- \rightarrow \mathrm{X^-}(g) + \mathrm{AE}$

El signo de la energía de ionización es siempre $\textbf{positivo}$, para los tres elementos y para cualquier otro: el electrón está retenido por la atracción del núcleo y hay que aportar energía para separarlo, de modo que el proceso es endotérmico.

En cuanto al orden de magnitud, la clave está en cuánto se acerca cada átomo a una configuración estable al perder un electrón. El $\textbf{sodio}$ tiene el valor más bajo con diferencia: su electrón $3s^1$ está en un nivel más externo, muy apantallado por las diez cargas interiores, y al perderlo el ion adquiere la configuración del neón. El $\textbf{flúor}$ está en el mismo período que el neón pero con un protón menos, así que su carga nuclear efectiva es algo menor y cuesta algo menos ionizarlo. El $\textbf{neón}$ tiene el valor más alto: es un gas noble, con la capa completa, y arrancarle un electrón rompe esa estructura especialmente estable.

$\mathrm{EI_1(Na)} \ll \mathrm{EI_1(F)} < \mathrm{EI_1(Ne)}$

Para la afinidad electrónica el razonamiento es paralelo, mirando ahora qué gana cada átomo al captar un electrón. El $\textbf{flúor}$ es el caso extremo: con un solo electrón completa el octeto y alcanza la configuración del neón, así que el proceso libera mucha energía y su afinidad electrónica es la más negativa de los tres —y una de las mayores de toda la tabla—. El $\textbf{sodio}$ también libera algo de energía, pero mucha menos, porque el electrón entra en un orbital $3s$ ya semiocupado sin aportar ninguna estabilidad especial. El $\textbf{neón}$ es el caso opuesto: tiene la capa completa y el electrón adicional tendría que entrar en el nivel 3, muy alejado y apantallado, así que el proceso no libera energía, sino que la exige; su afinidad electrónica es positiva o prácticamente nula.

$\textbf{b) Justifique cuál es el ion más estable que se formará de cada uno de los tres elementos anteriores y cuál de los iones formados tiene un radio más pequeño. (1,25 puntos)}$

El criterio es el mismo en los tres casos: cada átomo tiende a la configuración electrónica del gas noble más próximo, que es la más estable.

El $\textbf{flúor}$ gana un electrón y forma el anión fluoruro:

$\mathrm{F} + e^- \rightarrow \mathrm{F^-}: \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6$

El $\textbf{sodio}$ cede su único electrón de valencia y forma el catión sodio:

$\mathrm{Na} \rightarrow \mathrm{Na^+} + e^-: \quad 1s^2\,2s^2\,2p^6$

El $\textbf{neón}$ no forma ningún ion estable. Ya tiene la configuración de gas noble, así que no gana nada ni cediendo ni captando electrones: su energía de ionización es altísima y su afinidad electrónica, desfavorable. De ahí su inercia química.

Los dos iones formados, $\mathrm{F^-}$ y $\mathrm{Na^+}$, son $\textbf{isoelectrónicos}$: ambos tienen exactamente diez electrones repartidos en los mismos orbitales, los del neón. Como la nube electrónica es la misma, lo único que puede diferenciar sus tamaños es la carga del núcleo que la retiene.

$\mathrm{F^-}: \ 9\ \text{protones y } 10\ e^- \qquad \mathrm{Na^+}: \ 11\ \text{protones y } 10\ e^-$

El sodio tiene dos protones más tirando de los mismos diez electrones, así que su carga nuclear efectiva es mayor y la nube se contrae. El radio más pequeño es, por tanto, el del $\mathrm{Na^+}$.

Es la regla general de las series isoelectrónicas: a igual número de electrones, el radio disminuye al aumentar el número atómico.