Identificación de un elemento por sus energías de ionización
En el laboratorio de un instituto se analiza una muestra del elemento X, que no es un metal de transición. El profesor proporciona una tabla con sus energías de ionización sucesivas (kJ·mol⁻¹): 578, 1817, 2745, 11578, 14831, 18378, 23293 y 27460. Además, entrega los radios atómicos de los elementos del tercer periodo (pm): Na 186, Mg 160, Al 143, Si 118, P 110, S 102, Cl 99 y Ar 98. La muestra reacciona con oxígeno para dar un óxido de fórmula X₂O₃, que es anfótero, y con cloro forma XCl₃. Un compañero afirma que, como X tiene mayor número atómico que el magnesio, su primera energía de ionización debería ser mayor; otro sostiene que el salto entre la tercera y la cuarta energía de ionización demuestra que X tiene tres electrones de valencia. El responsable pide resolver la identidad de X y justificar las afirmaciones con la configuración electrónica, sin recurrir a tablas externas.
1. Deduce el grupo y el periodo de X, identifícalo y escribe su configuración electrónica condensada y la de X³⁺.
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El salto grande aparece entre la tercera (2745 kJ·mol⁻¹) y la cuarta (11578 kJ·mol⁻¹): las tres primeras ionizaciones arrancan electrones de la capa de valencia y la cuarta rompe el octeto interno. Por tanto, X tiene 3 electrones de valencia y pertenece al grupo 13. Los radios dados corresponden al tercer periodo y el óxido X₂O₃ es el del aluminio; además, XCl₃ encaja con Al. X = Al (Z = 13). Configuración: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹, o [Ne] 3s² 3p¹. Al perder tres electrones forma Al³⁺: [Ne] = 1s² 2s² 2p⁶. La capa n = 2 queda completa y estable, lo que explica que no se arranque un cuarto electrón de valencia.
2. Explica el origen del salto entre IE₃ e IE₄ y razona si la primera energía de ionización de X es mayor o menor que la del Mg (Z = 12), a pesar de que X tiene mayor carga nuclear.
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Las tres primeras energías de ionización corresponden a electrones 3p y 3s; tras perder tres electrones queda el núcleo [Ne]. La cuarta ionización extrae un electrón de n = 2, mucho más atraído por el núcleo y peor apantallado, de ahí el salto de 2745 a 11578 kJ·mol⁻¹. La IE₁ del Al (578 kJ·mol⁻¹) es menor que la del Mg (738 kJ·mol⁻¹), aunque el Al tenga mayor Z, porque el electrón que se arranca del Al es 3p: está más alto en energía y apantallado por el par 3s². En el Mg el electrón sale de un 3s² lleno, más penetrante y estable. Así, la energía de ionización no sigue solo Z; depende del orbital ocupado.
3. Ordena razonadamente los radios atómicos de X, Mg y Si e indica cómo varía la energía de ionización a lo largo del periodo.
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Radios: Mg (160 pm) > Al (143 pm) > Si (118 pm). En un mismo periodo, al aumentar Z los electrones se añaden a la misma capa n = 3; el apantallamiento interno no crece en la misma proporción, por lo que la carga nuclear efectiva aumenta y el radio disminuye. La IE aumenta en general de Mg a Si (738 → 578 → 786 kJ·mol⁻¹), pero el Al presenta un mínimo relativo porque su electrón 3p está peor apantallado y más energético que el 3s² del Mg. La tendencia no es perfectamente monótona: hay excepciones al llenar subniveles.