Sistema periódico y propiedades periódicas

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a)

Configuraciones electrónicas, energía de ionización y afinidad electrónica

0,25 p. El número atómico $Z$ indica el número de protones de un elemento. Para un átomo en su estado fundamental, carga cero, $Z$ también equivale al número de electrones.

Las configuraciones electrónicas son:

• flúor ($Z = 9$, 9 electrones): $1s^2\,2s^2\,2p^5$
• neón ($Z = 10$, 10 electrones): $1s^2\,2s^2\,2p^6$
• sodio ($Z = 11$, 11 electrones): $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$

0,5 p. La energía de ionización es la cantidad de energía que un átomo en estado gaseoso debe absorber para que se desprenda un electrón. En condiciones normales, un átomo nunca desprende energía de forma espontánea; por tanto, es una magnitud con signo positivo:

• flúor: la elevada carga nuclear efectiva de los 9 protones del núcleo realiza una fuerte atracción de los electrones. Los electrones del orbital atómico $2p$ se encuentran relativamente cerca del núcleo. Hay que aportar mucha energía para arrancar un electrón del orbital atómico $2p$, que se encuentra casi lleno.
• neón: el átomo tiene una configuración electrónica muy estable con los orbitales $2s$ y $2p$ llenos. Además, el aumento de un protón en el núcleo incrementa la carga nuclear efectiva. Por tanto, comparado con el flúor, hay que aportar todavía más energía para arrancar un electrón del orbital atómico $2p$.
• sodio: el único electrón del orbital atómico $3s$ se encuentra más lejos del núcleo que los del $2p$. Al arrancar un electrón, el ion resultante tendrá la misma y muy estable configuración electrónica del neón. Hay que aportar poca energía para arrancar un electrón del orbital atómico $3p$, más alejado del núcleo.

0,5 p. La afinidad electrónica es el cambio de energía que se produce cuando un átomo en estado gaseoso capta un electrón. En función de las características del átomo, al captar un electrón se puede ganar o perder energía:

• flúor: cuando el átomo capta un electrón, el ion resultante es el anión fluoruro, con la misma y muy estable configuración electrónica del neón. Por tanto, la energía desprendida será de magnitud grande en valor absoluto.
• neón: el átomo solo tiene orbitales atómicos $1s$, $2s$ y $2p$, que están totalmente llenos. Por tanto, le costará mucho captar un electrón para formar el anión correspondiente.
• sodio: el átomo tiene un orbital $3s$ semilleno que puede alojar un electrón más. Ahora bien, el anión resultante tendrá un exceso de cargas negativas relativamente lejos del núcleo, hecho que es energéticamente desfavorable. Por tanto, la energía aportada será de magnitud moderada en valor absoluto.

b)

Ion más estable y radio iónico

0,65 p. El ion más estable que se forma de un átomo elemental depende de las configuraciones electrónicas antes y después de captar o perder uno o más electrones:

• flúor: el átomo necesita captar un electrón para conseguir la configuración electrónica de gas noble. El anión fluoruro $\text{F}^-$ tiene el mismo número de electrones que el neón.
• neón: el átomo es muy estable y le costará mucho formar un ion, dada su configuración electrónica con todos los orbitales atómicos llenos.
• sodio: el átomo necesita perder un electrón para conseguir la configuración electrónica de gas noble. El catión $\text{Na}^+$ tiene el mismo número de electrones que el neón.

0,6 p. El radio iónico de un átomo ionizado es la distancia entre el núcleo y el electrón más alejado. Depende de la relación entre el número de protones y de electrones. El ion tendrá un radio menor cuanto mayor sea la carga nuclear efectiva.

• anión fluoruro: el anión tiene 9 protones y 10 electrones. Hay un exceso de cargas negativas que se repelen entre sí.
• catión sodio: el catión tiene 11 protones y 10 electrones. Hay un exceso de cargas positivas que atraen más fuertemente a los electrones.

En consecuencia, el radio iónico del catión sodio es inferior al del anión fluoruro.