Problema resuelto de Química: Estructura atómica y números cuánticosSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2023 · Julio

a) Magnesio ($Z = 12$). Átomo: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2$. Pierde los dos electrones $3s$:$$\text{Mg}^{2+}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6$$Su capa de valencia es la $n = 3$ con 2 electrones $s$: periodo 3, grupo 2 (alcalinotérreos).

Calcio ($Z = 20$). Átomo: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2$. Pierde los dos electrones $4s$:$$\text{Ca}^{2+}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6$$Capa de valencia $n = 4$ con $4s^2$: periodo 4, grupo 2.

Hierro ($Z = 26$). Átomo: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6$. Al formar el ion pierde primero los electrones $4s$, los de la capa más externa:$$\text{Fe}^{2+}:\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6 \quad (= [\text{Ar}]\,3d^6)$$El átomo tiene su capa más externa en $n = 4$ y 8 electrones en $4s^2\,3d^6$: periodo 4, grupo 8 (metal de transición, bloque d).

b) Radio del yodo y del yoduro. El yoduro se forma cuando el yodo gana un electrón. Los dos tienen el mismo núcleo (la misma carga nuclear), pero el $\text{I}^-$ tiene un electrón más en la capa de valencia: aumenta la repulsión entre los electrones y la carga nuclear se reparte entre más electrones, así que cada uno está menos atraído y la nube electrónica se expande. Por tanto:$$r(\text{I}^-) > r(\text{I})$$(El dato $Z = 55$ del enunciado es una errata: el yodo tiene $Z = 53$. No cambia el razonamiento.)

c) Energía de ionización. Configuraciones de la capa de valencia:$$\text{Mg}:\ [\text{Ne}]\,3s^2 \qquad \text{Si}:\ [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^2 \qquad \text{S}:\ [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^4$$Los tres son del periodo 3: el electrón que se arranca está en la misma capa ($n = 3$). Al avanzar en el periodo aumenta el número de protones, y los electrones que se añaden en la misma capa apenas apantallan. La carga nuclear efectiva crece, el radio disminuye y el electrón más externo está más atraído: cuesta más energía arrancarlo. Por eso:$$EI_1(\text{Mg}) < EI_1(\text{Si}) < EI_1(\text{S})$$(Los valores experimentales lo confirman: unos 738, 787 y 1000 kJ/mol.)