Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2024

Sean los elementos A ($Z=11$) y B ($Z=16$).

a) Escriba la configuración electrónica de sus respectivos estados fundamentales e indique el grupo y el nivel al que pertenecen. [0,50 puntos]

b) Justifique cuál es el elemento de mayor energía de ionización. [0,50 puntos]

c) Indique cuál es el ion más estable de cada elemento. Razone la respuesta. [0,50 puntos]

d) Explique si el radio del ion más estable de cada elemento es mayor o menor que el de su respectivo átomo neutro. [0,50 puntos]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{configuraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nica}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{sus}}\mathbf{\text{respectivos}}\mathbf{\text{estados}}\mathbf{\text{fundamentales}}\mathbf{\text{e}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{grupo}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{nivel}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{pertenecen.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Se llenan los orbitales por orden creciente de energía hasta agotar los electrones, que son $Z$ en cada átomo neutro:

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

Es el $\mathbf{\text{sodio}}$. Su capa de valencia es $3s^1$: nivel (periodo) 3 y grupo 1, el de los metales alcalinos.

$\mathrm{B}(Z=16):1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^4$

Es el $\mathbf{\text{azufre}}$. Su capa de valencia es $3s^{2}3p^4$, con 6 electrones: nivel 3 y grupo 16, el de los anfígenos.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{elemento}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ionizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

La energía de ionización es la energía mínima que hay que aportar para arrancar el electrón más externo de un átomo neutro y gaseoso:

$\mathrm{X}(g)+\mathrm{E}\mathrm{I}\to {\mathrm{X}}^{+}(g)+e^{-}$

Los dos elementos están en el mismo periodo, de modo que sus electrones de valencia ocupan el mismo nivel y están apantallados por el mismo número de electrones internos. Lo único que cambia al avanzar hacia la derecha es la carga nuclear, que crece: el azufre tiene 16 protones frente a los 11 del sodio, con la misma pantalla de 10 electrones interiores. Su carga nuclear efectiva es mayor y sujeta los electrones de valencia con más fuerza.

$\mathrm{E}\mathrm{I}(\mathrm{N}\mathrm{a})<\mathrm{E}\mathrm{I}(\mathrm{S})$

Es decir, el elemento de mayor energía de ionización es $\mathbf{\text{B,}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{azufre}}$. A ello se añade que el sodio, al ceder su único electrón $3s$, adquiere la configuración estabilísima del neón, mientras que al azufre le quedaría una capa a medio llenar.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{ion}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{estable}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{elemento.}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{respuesta.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

En ambos casos el ion más estable es el que alcanza la configuración de gas noble más próxima, con el octeto completo.

Al sodio le sobra un electrón sobre la configuración del neón, así que lo cede:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+e^{-}1s^{2}2s^{2}2p^6$

Al azufre le faltan dos para llegar a la del argón, así que los capta:

$\mathrm{S}+2e^{-}\to {\mathrm{S}}^{2-}1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^6$

Los iones más estables son, por tanto, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ y ${\mathrm{S}}^{2-}$. Coincide con lo del apartado anterior: el sodio tiene energía de ionización pequeña y tiende a perder electrones; el azufre, electronegatividad alta y tiende a ganarlos.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{radio}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{ion}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{estable}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{elemento}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{menor}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{respectivo}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomo}}\mathbf{\text{neutro.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Lo que decide es la relación entre el número de protones y el de electrones, porque el radio depende de cuánto tira el núcleo de la nube electrónica.

El $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ es $\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{peque}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{o}}$ que el átomo de sodio, y por dos razones que suman. Primero, al perder el electrón $3s^1$ desaparece toda la tercera capa: el ion tiene solo dos niveles ocupados frente a los tres del átomo. Segundo, los 11 protones tiran ahora de 10 electrones en vez de 11, con lo que la carga nuclear efectiva por electrón aumenta y la nube se contrae.

El ${\mathrm{S}}^{2-}$ es $\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{grande}}$ que el átomo de azufre. Aquí no cambia el número de capas —los dos electrones nuevos entran en el mismo nivel 3—, pero 16 protones tienen que sujetar a 18 electrones. La carga nuclear efectiva por electrón disminuye y, además, aumenta la repulsión entre ellos, de modo que la nube se expande.

En general: todo catión es menor que su átomo y todo anión, mayor.