Identificación de magnesio a partir de energías de ionización y de la estequiometría de su óxido
En el laboratorio de un instituto se analiza una muestra de un metal M del bloque s, todavía sin identificar. Se miden sus energías de ionización sucesivas (kJ·mol⁻¹): IE1 = 738; IE2 = 1451; IE3 = 7733; IE4 = 10543; IE5 = 13630; IE6 = 17995. Por otra parte, 0,500 g de M reaccionan completamente con oxígeno para dar 0,829 g de un óxido sólido de fórmula MO. Ese óxido es básico, funde a temperatura elevada y conduce la corriente cuando está fundido, pero no en estado sólido. El profesor pide identificar M, situarlo en la tabla periódica y compararlo con el elemento situado inmediatamente a su derecha (el que tiene un protón más), que en este caso es un metal del bloque p. Se dispone de datos de masas atómicas relativas: O = 16,0.
1. Deduzca el grupo y el periodo de M a partir de las energías de ionización y de los datos del óxido. Identifique el metal y escriba su configuración electrónica.
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El salto entre IE2 e IE3 es 7733/1451 ≈ 5,3, mientras que entre IE1 e IE2 solo hay un factor 1,97. Ese salto indica que los dos primeros electrones se arrancan de la capa de valencia y el tercero de una capa interna; por tanto, M tiene dos electrones de valencia y pertenece al grupo 2.
El óxido MO es 1:1. Masa de O en 0,829 g de MO = 0,829 − 0,500 = 0,329 g. n(O) = 0,329/16,0 = 0,02056 mol. Como la fórmula es MO, n(M) = 0,02056 mol y M = 0,500/0,02056 = 24,3 g·mol⁻¹. El metal del grupo 2 con esa masa es Mg (Z = 12). Configuración: 1s² 2s² 2p⁶ 3s², o [Ne]3s². Periodo 3.
2. Explique por qué IE3 es mucho mayor que IE2 y por qué el ion M²⁺ es más pequeño que el átomo M.
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IE2 corresponde a arrancar el segundo electrón 3s; IE3 obliga a arrancar un electrón de la capa interna 2p, mucho más atraído por el núcleo. La carga nuclear efectiva sobre ese electrón interno es mayor y su energía de extracción aumenta bruscamente. Por eso IE3 ≫ IE2.
Al formarse M²⁺ se pierden los dos electrones 3s, que son los más externos. El ion conserva la configuración [Ne], con una capa menos que el átomo neutro, y la misma carga nuclear atrae a menos electrones. El resultado es una contracción de la nube electrónica: el radio de Mg²⁺ es menor que el de Mg.
3. El elemento situado a la derecha de M tiene mayor número atómico, pero su primera energía de ionización es menor (578 kJ·mol⁻¹ frente a 738). Explique esta aparente anomalía y compare los radios atómicos de ambos elementos.
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El vecino es Al (Z = 13), con configuración [Ne]3s² 3p¹. Aunque su carga nuclear es mayor, el electrón que se arranca en IE1 es un 3p, de mayor energía y más apantallado por los electrones 3s² que el 3s de Mg. Además, en Mg se rompe un subnivel 3s lleno. Por eso IE1(Al) = 578 kJ·mol⁻¹ es menor que IE1(Mg) = 738 kJ·mol⁻¹, aunque la tendencia general sería aumentar.
El radio atómico sí disminuye al avanzar en el periodo: Mg > Al. Al aumentar Z y mantenerse el mismo número de capas, la carga nuclear efectiva crece y los electrones son atraídos con más fuerza. La anomalía afecta a la energía de ionización, no al tamaño atómico.