Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2022

La configuración electrónica de los elementos A y B es:

A) $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^2$; B) $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^{10}4s^{2}4p^5$

a) Indique el nivel y grupo al que pertenecen. [0,50 puntos]

b) Justifique cuál de los dos elementos tiene mayor energía de ionización. [0,75 puntos]

c) Indique, justificando la respuesta, cuál de los dos elementos tiene un mayor radio atómico. [0,75 puntos]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{nivel}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{grupo}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{pertenecen.}}\mathbf{\text{[0,50}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El nivel (periodo) lo da el mayor valor de $n$ ocupado, y el grupo, los electrones de la capa de valencia. Antes conviene identificar cada elemento sumando los electrones:

$\mathrm{A}:Z=2+2+6+2+6+2=20$

Su capa de valencia es $4s^2$: nivel 4, grupo 2, el de los metales alcalinotérreos. Es el $\mathbf{\text{calcio}}$.

$\mathrm{B}:Z=2+2+6+2+6+10+2+5=35$

Su capa de valencia es $4s^{2}4p^5$, con 7 electrones: nivel 4, grupo 17, el de los halógenos. Es el $\mathbf{\text{bromo}}$.

Nótese que los diez electrones $3d$ no cuentan como valencia: pertenecen a un nivel interior ya completo y solo actúan como pantalla.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ionizaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}\mathbf{\text{[0,75}}\mathbf{\text{puntos]}}$

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

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

Los dos elementos están en el mismo periodo, así que sus electrones de valencia ocupan el mismo nivel y a una distancia parecida del núcleo. Lo que cambia es la carga nuclear: 35 protones en el bromo frente a 20 en el calcio, sin que el apantallamiento crezca en la misma medida, porque los electrones añadidos entran en el mismo nivel o en el $3d$, que apantalla mal.

Su carga nuclear efectiva es, por tanto, mucho mayor, y sujeta con más fuerza a los electrones de valencia.

$\mathrm{E}\mathrm{I}(\mathrm{C}\mathrm{a})<\mathrm{E}\mathrm{I}(\mathrm{B}\mathrm{r})$

El de mayor energía de ionización es $\mathbf{\text{B,}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{bromo}}$. Hay además una razón química: al calcio le interesa perder sus dos electrones $4s$ para quedar con la configuración del argón, mientras que al bromo, al que solo le falta un electrón para el octeto, perder uno lo alejaría de esa estabilidad.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Indique,}}\mathbf{\text{justificando}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{respuesta,}}\mathbf{\text{cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{elementos}}\mathbf{\text{tiene}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{mayor}}\mathbf{\text{radio}}\mathbf{\text{at}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mico.}}\mathbf{\text{[0,75}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El radio atómico varía justo al revés que la energía de ionización, y por la misma causa. Dentro de un periodo, al avanzar hacia la derecha aumenta la carga nuclear efectiva y la nube electrónica se contrae, porque el núcleo tira más de unos electrones que siguen en el mismo nivel.

Como el calcio está a la izquierda del periodo 4 y el bromo casi al final, el mayor es el $\mathbf{\text{calcio}}$:

$r(\mathrm{B}\mathrm{r})<r(\mathrm{C}\mathrm{a})$

Es coherente con el apartado anterior: cuanto más pequeño es un átomo, más cerca del núcleo están sus electrones de valencia y más cuesta arrancarlos.