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 $\textbf{carga nuclear efectiva}$ que soporta el electrón más externo y la $\textbf{distancia}$ a la que se encuentra.

A lo largo de un $\textbf{periodo}$, 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 $\textbf{grupo}$ 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.

$\textbf{Nitrógeno}$ ($Z = 7$): 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 $\textbf{menor}$ que 103 pm.

Primera energía de ionización $\textbf{mayor}$ que 1012 $\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

$\textbf{Cloro}$ ($Z = 17$): 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 $\textbf{menor}$ que 103 pm.

Primera energía de ionización $\textbf{mayor}$ que 1012 $\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

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 $I_{\mathrm{p}}(1) = 1402\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$, y $r(\mathrm{Cl}) = 99$ pm con $I_{\mathrm{p}}(1) = 1251\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

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.