Ejercicio resuelto de Propiedades periódicas · Química · 2023

La gráfica muestra los valores experimentales de la primera energía de ionización, $I_{\text{p}}(1)\mathrm{/}(\text{kJ}\cdot {\text{mol}}^{-1})$, de los ocho elementos que forman el tercer periodo de la tabla periódica ($\text{Na}$, $\text{Mg}$, $\text{Al}$, $\text{Si}$, $\text{P}$, $\text{S}$, $\text{Cl}$ y $\text{Ar}$).



a) Indique a qué es debida la tendencia general observada. [1,00 punto]

b) Justifique las excepciones encontradas ($\text{Mg}$ y $\text{P}$). [1,00 punto]

Datos: $Z(\text{Mg})=12$ y $Z(\text{P})=15$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Indique}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{debida}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{tendencia}}\mathbf{\text{general}}\mathbf{\text{observada.}}\mathbf{\text{[1,00}}\mathbf{\text{punto]}}$

La gráfica muestra que, al recorrer el tercer periodo de izquierda a derecha, la primera energía de ionización $\mathbf{\text{aumenta}}$: se pasa de los 496 $\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$ del sodio a los 1521 del argón, tres veces más.

La causa es el aumento de la $\mathbf{\text{carga}}\mathbf{\text{nuclear}}\mathbf{\text{efectiva}}$ que soporta el electrón más externo. Al avanzar en el periodo se añade un protón al núcleo por cada electrón que entra, pero ese electrón se coloca en la $\mathbf{\text{misma}}\mathbf{\text{capa}}$ ($n=3$) que los que ya estaban. Y los electrones de una misma capa se apantallan unos a otros de forma poco eficaz, mucho peor que los de las capas internas:

$Z_{\text{ef}}=Z-S$

Como $Z$ crece de uno en uno y $S$ apenas cambia, $Z_{\text{ef}}$ crece a lo largo del periodo. El resultado es doble y va en el mismo sentido: el núcleo atrae con más fuerza a los electrones de valencia y, además, el radio atómico disminuye, de modo que están más cerca. Las dos cosas hacen que cueste más arrancar el electrón externo.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{excepciones}}\mathbf{\text{encontradas}}\mathbf{\text{(Mg}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{P).}}\mathbf{\text{[1,00}}\mathbf{\text{punto]}}$

Las dos excepciones consisten en que el magnesio y el fósforo tienen una energía de ionización $\mathbf{\text{mayor}}$ que el elemento que les sigue, en contra de la tendencia general. En los dos casos la razón es la misma: la configuración de esos átomos es especialmente estable, y la del siguiente, especialmente favorable a perder un electrón.

$\mathbf{\text{Magnesio}}$ (738 $\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$) frente al $\mathbf{\text{aluminio}}$ (578):

$\mathrm{M}\mathrm{g}(Z=12):1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^2$

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

El magnesio tiene la subcapa $3s$ $\mathbf{\text{completa}}$, una situación estable de la que cuesta sacar un electrón. El aluminio, en cambio, tiene que perder un electrón $3p$, que está en un orbital de energía más alta, más alejado en promedio del núcleo y apantallado por los dos electrones $3s$; al perderlo, además, el aluminio adquiere precisamente la configuración estable $3s^2$ del magnesio. Por las dos razones, ionizar el aluminio es más fácil.

$\mathbf{\text{F}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{sforo}}$ (1012 $\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$) frente al $\mathbf{\text{azufre}}$ (1000):

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

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

El fósforo tiene la subcapa $3p$ $\mathbf{\text{semillena}}$, con un electrón en cada uno de los tres orbitales y los tres espines paralelos. Esa distribución es especialmente estable, porque no hay repulsión entre electrones que compartan orbital y la energía de intercambio entre espines paralelos es máxima. En el azufre el cuarto electrón $3p$ está forzado a emparejarse con otro en el mismo orbital, y la repulsión entre los dos facilita su salida; al perderlo, el azufre queda con la configuración semillena del fósforo.

En los dos casos, por tanto, el descenso no se debe a que la carga nuclear efectiva deje de crecer —sigue creciendo—, sino a que la estabilidad de las configuraciones $\mathbf{\text{llena}}$ y $\mathbf{\text{semillena}}$ pesa más que ese efecto. Fuera de esos dos puntos, la subida general se recupera de inmediato.