QuímicaFácilCuestión · 2 pts

Problema resuelto de Química: Estructura atómica y números cuánticosSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2020 · Julio

También trata: Sistema periódico y propiedades periódicas · Enlace químico y geometría molecular

Enunciado

Considere los elementos con número atómico A = 9, B = 11, C = 15 y D = 17. Responda las siguientes cuestiones:

a) Escriba la configuración electrónica de cada uno de los elementos propuestos en su estado fundamental e indique el ion más estable que formará cada uno de ellos. (0,8 puntos)

b) Defina energía de ionización y ordene razonadamente los elementos en función de su primera energía de ionización. (0,8 puntos)

c) Proponga un compuesto iónico y otro molecular formado por el elemento A combinado con cualquier otro de los propuestos. (0,4 puntos)

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Resultado

a) F:

1s^2 2s^2 2p^5

→

\text{F}^-

; Na:

[\text{Ne}]\,3s^1

→

\text{Na}^+

; P:

[\text{Ne}]\,3s^2 3p^3

→

\text{P}^{3-}

; Cl:

[\text{Ne}]\,3s^2 3p^5

→

\text{Cl}^-

.

b) Energía para arrancar el electrón más externo de un átomo gaseoso. Orden: Na < P < Cl < F.

c) Iónico: NaF. Molecular:

\text{PF}_3

(o ClF).

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Con el número atómico se escribe la configuración electrónica siguiendo el orden de llenado. La capa de valencia dice dónde está cada elemento en la tabla y qué ion le conviene formar: ganar o perder los electrones justos para quedarse con la configuración del gas noble más cercano.

Para la energía de ionización se usan las dos tendencias de la tabla: aumenta hacia la derecha en un periodo (más carga nuclear efectiva, el electrón está más atraído) y disminuye al bajar en un grupo (el electrón está más lejos del núcleo).

En c) basta con mirar la diferencia de electronegatividad: un metal con un no metal da enlace iónico; dos no metales comparten electrones y forman moléculas.

Desarrollo

a) Configuraciones e ion más estable

Elemento	Z	Configuración	Situación	Ion más estable
A (F)	9	$1s^2\,2s^2\,2p^5$	periodo 2, grupo 17	$\text{F}^-$ : gana 1 e⁻ y queda como el Ne
B (Na)	11	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$	periodo 3, grupo 1	$\text{Na}^+$ : pierde 1 e⁻ y queda como el Ne
C (P)	15	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3$	periodo 3, grupo 15	$\text{P}^{3-}$ : gana 3 e⁻ y queda como el Ar
D (Cl)	17	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$	periodo 3, grupo 17	$\text{Cl}^-$ : gana 1 e⁻ y queda como el Ar

En todos los casos el ion alcanza la configuración de gas noble (

ns^2\,np^6

), que es especialmente estable.

b) Definición. La primera energía de ionización es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido a un átomo neutro, en estado gaseoso y fundamental:

\text{X}(g) \to \text{X}^+(g) + e^-

.

Elementos del periodo 3 (Na, P y Cl). Tienen la capa de valencia en

n = 3

, pero al avanzar en el periodo aumenta la carga nuclear y, con ella, la carga nuclear efectiva que siente el electrón externo, que apenas se ve apantallado por los de su misma capa. El átomo es más pequeño y el electrón está más atraído: la energía de ionización crece de Na a P y de P a Cl.

El flúor frente al cloro. Están en el mismo grupo; el F tiene el electrón de valencia en

n = 2

, mucho más cerca del núcleo, así que cuesta más arrancarlo: la energía de ionización del F es mayor que la del Cl.

Orden:

\text{Na (B)} < \text{P (C)} < \text{Cl (D)} < \text{F (A)}

(Valores reales, en kJ/mol: 496, 1012, 1251 y 1681.)

c) Compuesto iónico. El F (no metal muy electronegativo) con el Na (metal alcalino): la gran diferencia de electronegatividad hace que el Na ceda su electrón al F y se forme el fluoruro de sodio, NaF, un compuesto iónico (

\text{Na}^+\text{F}^-

).

Compuesto molecular. El F con otro no metal, el P o el Cl: comparten electrones mediante enlaces covalentes y forman moléculas, por ejemplo el trifluoruro de fósforo, $\text{PF}_3$ (o el fluoruro de cloro, ClF).

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

Consejo

En la energía de ionización no basta con escribir el orden: los criterios no dan más del 30 % de un apartado sin razonar. Justifica con la carga nuclear efectiva dentro del periodo y con la distancia al núcleo (el valor de $n$ ) entre el F y el Cl.

Cuidado con la definición: es la energía para arrancar un electrón a un átomo en estado gaseoso. Si olvidas el estado gaseoso, la definición queda incompleta.