El elemento X y el salto de energía de ionización
En el laboratorio de un instituto se estudia una muestra del elemento X, un sólido metálico plateado. El profesor entrega una tabla con las energías de ionización sucesivas, en kJ/mol: 578, 1817, 2745, 11575, 14830, 18376, 23293 y 27460. Los estudiantes observan que las tres primeras son relativamente bajas y que entre la tercera y la cuarta hay un salto de casi 9000 kJ/mol. Disponen además de datos de radio atómico y de primera energía de ionización de elementos vecinos: Mg (738 kJ/mol; 160 pm), Al (578 kJ/mol; 143 pm) y Si (786 kJ/mol; 118 pm). Un alumno afirma que X debe colocarse en el grupo 3 porque tiene tres electrones de valencia, mientras que otro propone el grupo 13. Se pide resolver la discrepancia sin consultar la tabla periódica, justificando con los datos.
1. Deduce, a partir del salto de energía de ionización y de los datos de los vecinos, el grupo y el periodo de X. ¿Qué alumno tiene razón y por qué?
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El salto grande aparece después de la tercera ionización: 2745 → 11575 kJ/mol. Eso indica que los tres primeros electrones se pierden de niveles de valencia y el cuarto de una capa interna, por lo que X tiene 3 electrones de valencia.
El periodo es 3: los vecinos Mg, Al y Si son del periodo 3, y la primera energía de ionización de X coincide con la del Al (578 kJ/mol). Su configuración es [Ne]3s²3p¹, propia de un elemento del periodo 3.
Tiene razón quien propone el grupo 13. El grupo 3 moderno contiene Sc, Y, etc., no Al; el grupo 13 es el antiguo IIIA, con configuración ns²np¹. La coincidencia de IE1 con Al y el salto tras tres electrones confirman grupo 13 y periodo 3.
2. Escribe la configuración electrónica de X, X⁺ y X³⁺ y ordena razonadamente sus radios.
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X: [Ne]3s²3p¹. X⁺: [Ne]3s² (pierde el electrón 3p). X³⁺: [Ne] (pierde los dos 3s y el 3p).
El radio disminuye al perder electrones: X > X⁺ > X³⁺. Al ionizarse se reduce el apantallamiento y aumenta la carga nuclear efectiva por electrón restante; además, X³⁺ queda con solo la capa n = 2, mucho más compacta.
3. Explica por qué la primera energía de ionización de X es menor que la de Mg y mayor que la de Si.
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Mg tiene configuración [Ne]3s²; arrancar un electrón 3s exige bastante energía (738 kJ/mol). En X el electrón que se pierde es 3p, de mayor energía y más apantallado por los electrones 3s, por eso su IE1 es menor (578 kJ/mol).
Si tiene configuración [Ne]3s²3p²; al avanzar en el periodo aumenta la carga nuclear efectiva y disminuye el radio, de modo que el electrón 3p está más atraído y la IE1 de Si es mayor (786 kJ/mol). El orden Mg > X > Si no es una excepción: refleja la estabilidad especial del 3s² y el efecto del apantallamiento del 3p.