Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2022

Dos elementos químicos, A y B, presentan las configuraciones electrónicas siguientes:

$\mathrm{A}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$

$\mathrm{B}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$

a) Indique, de forma razonada, la posición (grupo y período) de cada uno de estos dos elementos en la tabla periódica.

b) Si se sabe que los valores de las primeras energías de ionización son 496 y 1250 kJ/mol, justifique cuál es el valor que corresponde a cada uno de los dos elementos (A y B).

c) Razone cuál de los dos elementos presenta más tendencia a formar enlaces de carácter metálico.

d) Explique, de forma razonada, el tipo de enlace que presentará la molécula $\mathrm{A_2}$.

$\textbf{a) Indique, de forma razonada, la posición (grupo y período) de cada uno de estos dos elementos en la tabla periódica.}$

La posición se lee directamente de la configuración electrónica: el periodo lo da el número cuántico principal más alto ocupado, y el grupo, los electrones de la capa de valencia.

$\textbf{Elemento A}$, $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$: su última capa es la tercera, así que pertenece al $\textbf{periodo 3}$. En ella tiene $2 + 5 = 7$ electrones y el último entra en un orbital p, de modo que está en el $\textbf{grupo 17}$, el de los halógenos. Sumando electrones, $Z = 17$: es el cloro.

$\textbf{Elemento B}$, $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$: también termina en la tercera capa, luego $\textbf{periodo 3}$, y tiene un único electrón de valencia en un orbital s, así que pertenece al $\textbf{grupo 1}$, el de los alcalinos. Con $Z = 11$, es el sodio.

$\textbf{b) Si se sabe que los valores de las primeras energías de ionización son 496 y 1250 kJ/mol, justifique cuál es el valor que corresponde a cada uno de los dos elementos (A y B).}$

$\mathrm{EI_1(B)} = 496\ \mathrm{kJ/mol} \qquad \mathrm{EI_1(A)} = 1250\ \mathrm{kJ/mol}$

Los dos elementos están en el mismo periodo, así que sus electrones más externos ocupan el mismo nivel y el apantallamiento de las capas internas es semejante. Lo que cambia es la carga nuclear, que crece hacia la derecha: el elemento A tiene seis protones más que el B, de modo que su carga nuclear efectiva es mucho mayor y retiene con más fuerza a sus electrones.

Hay además un argumento de estabilidad que apunta en el mismo sentido. Al elemento B le basta perder su único electrón $3s^1$ para adquirir la configuración del neón, así que lo cede con enorme facilidad. Al A, en cambio, ionizarse lo aleja del octeto que casi tiene completo: su tendencia natural es ganar un electrón, no perderlo.

$\textbf{c) Razone cuál de los dos elementos presenta más tendencia a formar enlaces de carácter metálico.}$

El elemento $\textbf{B}$, el sodio.

El enlace metálico se forma entre átomos con energía de ionización baja y pocos electrones de valencia, capaces de cederlos con facilidad para constituir una nube electrónica deslocalizada que envuelve a los cationes de la red.

El sodio cumple las dos condiciones a la perfección: un solo electrón de valencia y la energía de ionización más baja de los dos, 496 kJ/mol. Es, de hecho, un metal alcalino típico, blando, buen conductor y muy reactivo.

El elemento A, en cambio, es un no metal con siete electrones de valencia y una energía de ionización alta: su comportamiento es el opuesto, ganar electrones para completar el octeto.

$\textbf{d) Explique, de forma razonada, el tipo de enlace que presentará la molécula A₂.}$

La molécula $\mathrm{A_2}$ es el $\mathrm{Cl_2}$, y su enlace es $\textbf{covalente apolar}$.

Ambos átomos son el mismo no metal, con siete electrones de valencia y una electronegatividad alta e idéntica. Ninguno puede arrancarle electrones al otro, así que la única forma de que ambos completen el octeto es $\textbf{compartir}$ un par:

$\mathrm{Cl-Cl}$

Cada átomo aporta un electrón al par compartido y conserva tres pares no enlazantes. Y como los dos átomos son idénticos, el par se reparte por igual entre ellos: no hay desplazamiento de carga ni momento dipolar, de ahí que el enlace, y la molécula, sean apolares.

Entre moléculas de $\mathrm{Cl_2}$ solo actúan, en consecuencia, fuerzas de dispersión de London, muy débiles, que es la razón de que el dicloro sea un gas a temperatura ambiente.