Sistema periódico y propiedades periódicas

a) Energía de ionización

La energía de ionización (primera) es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más débilmente retenido de un átomo neutro, en estado gaseoso y fundamental, formando un ion monopositivo gaseoso:$$\text{X}(g) + E_I \longrightarrow \text{X}^+(g) + e^-$$Se expresa en $\text{kJ/mol}$ o en $\text{eV}$ por átomo y siempre es positiva (el proceso absorbe energía). Las siguientes energías de ionización (segunda, tercera…) son las necesarias para arrancar más electrones al ion ya formado, y son cada vez mayores.

b) Comparación de radios y energías de ionización

Configuraciones electrónicas:i) Na y Mg. Los dos están en el periodo 3 y su electrón externo está en el nivel $n = 3$. El Mg tiene un protón más ($Z = 12$) y el electrón añadido entra en la misma capa, que apenas apantalla: su carga nuclear efectiva es mayor, atrae más a los electrones y la nube se contrae.
Mayor radio: Na ($186\ \text{pm}$ frente a $160\ \text{pm}$).
Mayor energía de ionización: Mg ($738\ \text{kJ/mol}$ frente a $496\ \text{kJ/mol}$). Además, al Na le basta perder su único electrón $3s$ para quedar con configuración de gas noble.

ii) Si y C. Ambos son del grupo 14, con la misma configuración externa $ns^2\,np^2$. El Si tiene sus electrones de valencia en el nivel $n = 3$ y el C en el $n = 2$: el silicio tiene una capa más, sus electrones externos están más lejos del núcleo y más apantallados por las capas internas.
Mayor radio: Si ($117\ \text{pm}$ frente a $77\ \text{pm}$, radios covalentes).
Mayor energía de ionización: C ($1086\ \text{kJ/mol}$ frente a $786\ \text{kJ/mol}$).

iii) Na y Na⁺. El $\text{Na}^+$ ha perdido el electrón $3s$: le queda una capa menos ($1s^2\,2s^2\,2p^6$) y los mismos 11 protones atraen ahora a solo 10 electrones.
Mayor radio: Na ($186\ \text{pm}$ frente a unos $102\ \text{pm}$ del ion). Un catión siempre es menor que su átomo neutro.
Mayor energía de ionización: Na⁺. Ionizarlo es la segunda ionización del sodio: hay que arrancar un electrón del nivel $n = 2$, muy cercano al núcleo, de un ion positivo y rompiendo una configuración de gas noble ($4562\ \text{kJ/mol}$ frente a $496\ \text{kJ/mol}$).

iv) Cl⁻ y K⁺. Son especies isoelectrónicas: las dos tienen 18 electrones con la configuración del argón. Lo que las distingue es la carga del núcleo: el K tiene 19 protones y el Cl, 17. En el $\text{K}^+$ los mismos 18 electrones están atraídos por dos protones más.
Mayor radio: Cl⁻ ($181\ \text{pm}$ frente a $138\ \text{pm}$). En una serie isoelectrónica, el radio disminuye al aumentar $Z$.
Mayor energía de ionización: K⁺. Arrancar un electrón a un catión, con mayor carga nuclear, cuesta mucho más que arrancarlo a un anión (para el $\text{Cl}^-$ basta la energía de su afinidad electrónica, unos $349\ \text{kJ/mol}$; para el $\text{K}^+$ es la segunda ionización del potasio, $3052\ \text{kJ/mol}$).