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Sistema periódico y propiedades periódicas

También trata: Enlace químico y geometría molecular
Extremadura · 2017 · Junio · Opción A
Enunciado
Los tres elementos E1, E2 y E3 tienen números atómicos consecutivos. El elemento E2 es argón (Z=18Z = 18).

a) (0,5 puntos) Indicar el grupo de la tabla periódica en que se encuentran los elementos E1 y E3. Justificar cuál de los dos tendrá una mayor energía de ionización.

b) (0,5 puntos) Indicar el periodo (nivel) al que pertenecen los elementos E1 y E3. Justificar cuál de ambos presentará un radio atómico menor.

c) (1 punto) ¿Cuál es el estado de oxidación más probable (según la regla del octeto) para los elementos E1 y E3? ¿Cómo cambia el radio de los iones resultantes respecto del radio atómico de los elementos E1 y E3? Justificar las respuestas.

d) (0,5 puntos) Proponer el compuesto más probable que se forme con E1 y E3, indicando el tipo de enlace que se formará.
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Resultado
  • a) E1 = Cl, grupo 17 (halógenos); E3 = K, grupo 1 (alcalinos). Mayor energía de ionización: Cl.
  • b) Cl en el periodo 3 y K en el 4. Radio menor: Cl.
  • c) Cl: −1-1 (Cl−\text{Cl}^-, mayor que el átomo); K: +1+1 (K+\text{K}^+, menor que el átomo).
  • d) KCl\text{KCl}, enlace iónico.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Si E2 es el argón (Z=18Z = 18), E1 tiene Z=17Z = 17 y E3, Z=19Z = 19: son el cloro y el potasio, a un lado y a otro de un gas noble. Con sus configuraciones electrónicas se sitúan en la tabla y, a partir de ahí, todo se razona con dos ideas:
  • La carga nuclear efectiva que nota el electrón más externo (crece hacia la derecha en un periodo).
  • El número de capas ocupadas (crece al bajar en un grupo).
Para los iones, la regla del octeto: cada uno gana o pierde los electrones justos para quedar con la configuración del argón.
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Desarrollo

a) Grupo y energía de ionización

Las configuraciones electrónicas son:E1 (Z=17): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5\text{E1}\ (Z = 17):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5E3 (Z=19): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1\text{E3}\ (Z = 19):\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1
  • E1 termina en ns2 np5ns^2\,np^5 (7 electrones de valencia): está en el grupo 17, el de los halógenos. Es el cloro.
  • E3 termina en ns1ns^1 (1 electrón de valencia): está en el grupo 1, el de los alcalinos. Es el potasio.
La energía de ionización es la energía mínima para arrancar el electrón más externo de un átomo gaseoso en estado fundamental. En el cloro ese electrón está en la capa n=3n = 3 y siente una carga nuclear efectiva alta (17 protones y solo 10 electrones internos que apantallan). En el potasio, el electrón 4s14s^1 está en una capa más alejada y muy apantallado por los 18 electrones internos: se arranca con facilidad, y al perderlo el potasio queda con la configuración del argón.

Por tanto, E1 (cloro) tiene mayor energía de ionización que E3 (potasio). (Valores reales: 1251 kJ/mol1251\ \text{kJ/mol} frente a 419 kJ/mol419\ \text{kJ/mol}).

b) Periodo y radio atómico

El periodo lo da el valor de nn más alto de la configuración:
  • E1 (cloro): n=3n = 3, periodo 3.
  • E3 (potasio): n=4n = 4, periodo 4.
El potasio tiene una capa más ocupada que el cloro, y su electrón más externo, el 4s14s^1, apenas nota carga nuclear efectiva. El cloro, además de tener una capa menos, está al final de su periodo, donde la carga nuclear efectiva es grande y atrae con fuerza la nube electrónica.

Por tanto, E1 (cloro) tiene el radio atómico menor. (Valores reales: unos 99 pm99\ \text{pm} el Cl y 227 pm227\ \text{pm} el K).
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
c) Estado de oxidación más probable y radio de los iones

Según la regla del octeto, cada átomo tiende a adquirir la configuración del gas noble más cercano, que aquí es el argón (1s2 2s2 2p6 3s2 3p61s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6):
  • El cloro gana un electrón: Cl+e−⟶Cl−\text{Cl} + e^- \longrightarrow \text{Cl}^-. Estado de oxidación más probable: −1-1.
  • El potasio pierde un electrón: K⟶K++e−\text{K} \longrightarrow \text{K}^+ + e^-. Estado de oxidación más probable: +1+1.
Cambio del radio al formarse el ion:
  • Cl−\text{Cl}^- es mayor que el átomo de Cl: tiene los mismos 17 protones pero un electrón más (18). Aumenta la repulsión entre electrones y cada uno nota menos carga nuclear efectiva, así que la nube se expande (r(Cl−)≈181 pmr(\text{Cl}^-) \approx 181\ \text{pm}).
  • K+\text{K}^+ es menor que el átomo de K: pierde el electrón 4s4s y con él toda la capa 4; además, los 19 protones atraen ahora a solo 18 electrones. La nube se contrae mucho (r(K+)≈138 pmr(\text{K}^+) \approx 138\ \text{pm}).
Fíjate en que Cl−\text{Cl}^- y K+\text{K}^+ son isoelectrónicos (18 electrones, como el Ar): el K+\text{K}^+ es el más pequeño porque tiene más protones atrayendo los mismos electrones.

d) Compuesto y tipo de enlace

El potasio cede un electrón al cloro y se forman K+\text{K}^+ y Cl−\text{Cl}^-. Para que el compuesto sea neutro se unen en proporción 1:1:K++Cl−⟶KCl\text{K}^+ + \text{Cl}^- \longrightarrow \text{KCl}El compuesto es el cloruro de potasio, KCl, y el enlace es iónico: se da entre un metal muy poco electronegativo (K) y un no metal muy electronegativo (Cl), con una gran diferencia de electronegatividad (0,80{,}8 frente a 3,23{,}2). En estado sólido forma una red cristalina de iones unidos por fuerzas electrostáticas.
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Consejo

Los problemas de «elementos con Z consecutivos» se resuelven identificando primero los elementos: un gas noble en medio deja un halógeno antes y un alcalino después, en el periodo siguiente. Escribe las configuraciones y todo lo demás sale de ellas.

En c) no te limites a decir «el anión es mayor y el catión menor»: justifícalo con el número de electrones frente al de protones y, en el K+\text{K}^+, con la capa que se pierde.
Paso 1 de 3
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