Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2023

El radio atómico del fósforo ($\text{P}$, $Z=15$) es $r=103\text{ pm}$ y su primera energía de ionización es $I_{\text{p}}(1)=1012\text{ kJ}\cdot {\text{mol}}^{-1}$. Estime, razonadamente, para los átomos de nitrógeno ($\text{N}$, $Z=7$) y cloro ($\text{Cl}$, $Z=17$), si los valores de esas dos propiedades son mayores, menores o iguales que los del átomo de fósforo.

Las dos propiedades se estiman con la posición en la tabla periódica, y en los dos casos el mecanismo es el mismo: la $\mathbf{\text{carga}}\mathbf{\text{nuclear}}\mathbf{\text{efectiva}}$ que soporta el electrón más externo y la $\mathbf{\text{distancia}}$ a la que se encuentra.

A lo largo de un $\mathbf{\text{periodo}}$, hacia la derecha, entra un protón más por cada electrón que se añade a la misma capa; el apantallamiento entre electrones de la misma capa es poco eficaz, así que la carga nuclear efectiva crece, el radio disminuye y la energía de ionización aumenta.

Bajando por un $\mathbf{\text{grupo}}$ se ocupa una capa nueva, más alejada del núcleo y mejor apantallada por las interiores: el radio aumenta y la energía de ionización disminuye.

El fósforo ($Z=15$) está en el grupo 15 y el periodo 3.

$\mathbf{\text{Nitr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$ ($Z=7$): mismo grupo que el fósforo, pero periodo 2. Sus electrones de valencia están en la capa $n=2$, mucho más cerca del núcleo:

Radio atómico $\mathbf{\text{menor}}$ que 103 pm.

Primera energía de ionización $\mathbf{\text{mayor}}$ que 1012 $\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$.

$\mathbf{\text{Cloro}}$ ($Z=17$): mismo periodo que el fósforo, pero dos grupos a la derecha. Sus electrones de valencia están en la misma capa $n=3$, pero el núcleo tiene dos protones más:

Radio atómico $\mathbf{\text{menor}}$ que 103 pm.

Primera energía de ionización $\mathbf{\text{mayor}}$ que 1012 $\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$.

En los dos casos, por tanto, la respuesta es la misma —radio menor y energía de ionización mayor—, pero por razones distintas: en el nitrógeno manda el cambio de capa y en el cloro, el aumento de carga nuclear a capa constante. Los valores experimentales lo confirman: $r(\mathrm{N})=71$ pm con $I_{\mathrm{p}}(1)=1402\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$, y $r(\mathrm{C}\mathrm{l})=99$ pm con $I_{\mathrm{p}}(1)=1251\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$.

Merece la pena señalar que las dos propiedades varían en sentido contrario porque están ligadas: cuanto más cerca del núcleo y menos apantallado está el electrón externo, más cuesta arrancarlo.