Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2024

Sean los elementos A ($Z=7$), B ($Z=13$) y C ($Z=15$).

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

b) Ordene los elementos en orden creciente de radio atómico. Justifique la respuesta. [0,50 puntos]

c) Ordene los elementos por orden decreciente de electronegatividad. Razone la respuesta. [0,50 puntos]

d) Entre los elementos B ($Z=13$) y C ($Z=15$), razone cuál tendrá el primer potencial de ionización mayor. [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 $Z$ electrones de cada átomo neutro:

$\mathrm{A}(Z=7):1s^{2}2s^{2}2p^3$

Es el $\mathbf{\text{nitr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$. Capa de valencia $2s^{2}2p^3$, con 5 electrones: nivel 2 y grupo 15.

$\mathrm{B}(Z=13):1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^1$

Es el $\mathbf{\text{aluminio}}$. Capa de valencia $3s^{2}3p^1$, con 3 electrones: nivel 3 y grupo 13.

$\mathrm{C}(Z=15):1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^3$

Es el $\mathbf{\text{f}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{sforo}}$. Capa de valencia $3s^{2}3p^3$, con 5 electrones: nivel 3 y grupo 15.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Ordene}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{orden}}\mathbf{\text{creciente}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{radio}}\mathbf{\text{at}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mico.}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{respuesta.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El radio atómico crece hacia abajo y hacia la izquierda en la tabla periódica, por dos motivos distintos:

Al bajar de periodo se añade una capa entera, y ese es el efecto dominante: el nitrógeno solo tiene dos niveles ocupados, mientras que el aluminio y el fósforo tienen tres. El nitrógeno es, por tanto, el más pequeño.

Dentro de un mismo periodo, al avanzar hacia la derecha aumenta la carga nuclear sin que aumente el apantallamiento, porque los electrones nuevos entran en el mismo nivel. La nube se contrae. Entre el aluminio (13 protones) y el fósforo (15), el mayor es el aluminio.

$r(\mathrm{N})<r(\mathrm{P})<r(\mathrm{A}\mathrm{l})$

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Ordene}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{orden}}\mathbf{\text{decreciente}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{electronegatividad.}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{respuesta.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

La electronegatividad mide la tendencia de un átomo a atraer hacia sí el par de electrones de un enlace, y varía justo al revés que el radio: crece hacia la derecha y hacia arriba. Un átomo pequeño y con carga nuclear efectiva alta sujeta con fuerza los electrones compartidos, porque quedan cerca de su núcleo.

El nitrógeno es el más electronegativo con diferencia: está en el periodo 2 y su capa de valencia queda muy cerca del núcleo. Entre los dos del periodo 3, el fósforo está más a la derecha que el aluminio y tiene mayor carga nuclear efectiva.

$\chi (\mathrm{N})>\chi (\mathrm{P})>\chi (\mathrm{A}\mathrm{l})$

Es el orden inverso al de los radios del apartado anterior, como cabía esperar.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Entre}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{B}}\mathbf{\text{(Z}}\mathbf{\text{=}}\mathbf{\text{13)}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{C}}\mathbf{\text{(Z}}\mathbf{\text{=}}\mathbf{\text{15),}}\mathbf{\text{razone}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{tendr}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{primer}}\mathbf{\text{potencial}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ionizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{mayor.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El primer potencial de ionización es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más externo de un átomo neutro y gaseoso:

$\mathrm{X}(g)+\mathrm{E}{\mathrm{I}}_1\to {\mathrm{X}}^{+}(g)+e^{-}$

Aluminio y fósforo están en el mismo periodo, con el mismo número de capas y el mismo apantallamiento interior. Lo que cambia es la carga nuclear: 15 protones en el fósforo frente a 13 en el aluminio. Sus electrones de valencia están más sujetos y cuesta más arrancarlos.

$\mathrm{E}{\mathrm{I}}_1(\mathrm{A}\mathrm{l})<\mathrm{E}{\mathrm{I}}_1(\mathrm{P})$

Es decir, el mayor potencial de ionización lo tiene $\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{f}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{sforo}}$. Se refuerza además por la configuración: el fósforo tiene la subcapa $3p^3$ semillena, con un electrón en cada orbital y espines paralelos, que es una disposición especialmente estable; el aluminio, en cambio, pierde su único electrón $3p^1$ y queda con la subcapa $3s$ completa.