Tabla periódica y tendencias

A finales del siglo XIX, Dmitri Mendeleiev ordenó los elementos químicos según sus masas atómicas crecientes, lo que provocó ciertas discrepancias en pares como el telurio ($Z = 52$, masa atómica $127{,}6\text{ u}$) y el yodo ($Z = 53$, masa atómica $126{,}9\text{ u}$). Posteriormente, Henry Moseley resolvió esta anomalía mediante espectroscopia de rayos X.

1. a) Explicá el fundamento de la ley de Moseley y por qué el número atómico $Z$, y no la masa atómica, es el criterio correcto de ordenación periódica.
2. b) Justificá la ubicación relativa del telurio y del yodo en la tabla periódica actual en función de sus configuraciones electrónicas de valencia.

Las configuraciones electrónicas del estado fundamental determinan la posición de los elementos químicos en la tabla periódica. Considerá tres elementos neutros denominados A, B y C, cuyas capas de valencia son: A: $3s^2\,3p^1$; B: $[\mathrm{Ar}]\,4s^2$ (configuración completa salvo el núcleo abreviado); C: $3s^2\,3p^5$.

1. a) Deducí el periodo y el grupo (según la numeración de la IUPAC del 1 al 18) al que pertenece cada uno de los tres elementos.
2. b) Clasificá razonadamente cada elemento como metal, no metal o semimetal.

Se dispone de una serie de especies químicas monoatómicas isoelectrónicas: $\mathrm{N}^{3-}$ ($Z=7$), $\mathrm{O}^{2-}$ ($Z=8$), $\mathrm{F}^-$ ($Z=9$), $\mathrm{Na}^+$ ($Z=11$) y $\mathrm{Mg}^{2+}$ ($Z=12$).

1. a) Escribí la configuración electrónica fundamental común a todas estas especies y ordená razonadamente los iones de menor a mayor radio iónico.
2. b) Explicá por qué el radio del catión $\mathrm{Na}^+$ es significativamente menor que el radio atómico del átomo neutro de $\mathrm{Na}$ ($Z=11$), mientras que el radio del anión $\mathrm{F}^-$ es mayor que el del átomo neutro de $\mathrm{F}$ ($Z=9$).

El concepto de carga nuclear efectiva ($Z_{\text{ef}} = Z - \sigma$, donde $\sigma$ es la constante de apantallamiento) fundamenta las variaciones periódicas del radio y de la reactividad redox.

1. a) Aplicando el modelo de apantallamiento, justificá por qué al descender en el grupo 1 de los alcalinos (del $\mathrm{Li}$ al $\mathrm{Cs}$) el radio atómico aumenta significativamente a pesar del enorme incremento en la carga nuclear total $Z$ (de $Z=3$ a $Z=55$).
2. b) Considerá los iones $\mathrm{Na}^+$ ($Z=11$) y $\mathrm{K}^+$ ($Z=19$), con configuraciones de gas noble de 10 y 18 electrones respectivamente. El potencial iónico se define aquí como $|z|/r$, siendo $z$ el número de carga y $r$ el radio iónico. Justificá qué ion tiene mayor potencial iónico y, según un modelo electrostático sencillo, cuál presenta una entalpía de hidratación más negativa.

Las energías de ionización sucesivas permiten identificar la configuración electrónica de la capa de valencia de un elemento químico. Para un elemento representativo $X$ perteneciente al tercer periodo de la tabla periódica, se han medido experimentalmente los valores de sus cuatro primeras energías de ionización: $I_1 = 580\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, $I_2 = 1815\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, $I_3 = 2740\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ e $I_4 = 11600\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$. La magnitud comparativa de estas energías se ilustra en el siguiente diagrama de barras:

1. a) Justificá razonadamente cuál es la valencia química o estado de oxidación más estable de $X$ en sus compuestos con elementos electronegativos.
2. b) Deducí a qué grupo de la tabla periódica pertenece $X$ e identificá el elemento concreto.

Podés hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

La primera energía de ionización general aumenta a lo largo de un periodo de izquierda a derecha. Sin embargo, se observan anomalías puntuales al comparar elementos contiguos del segundo y tercer periodo.

1. a) La primera energía de ionización del magnesio ($Z = 12$) es $738\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, mientras que la del aluminio ($Z = 13$) es $578\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$. Justificá esta discrepancia basándote en las configuraciones electrónicas y el tipo de subnivel del que se extrae el electrón.
2. b) La primera energía de ionización del nitrógeno ($Z = 7$) es $1402\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, superior a la del oxígeno ($Z = 8$), que es $1314\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$. Explicá este hecho según la regla de Hund y la estabilidad de subniveles semillenos.

La electronegatividad cuantifica la tendencia relativa de un átomo enlazado a atraer hacia sí la densidad electrónica del enlace químico.

1. a) Explicá cómo varía la electronegatividad a lo largo de un periodo de la tabla periódica al avanzar de izquierda a derecha, justificando el comportamiento en función de la carga nuclear efectiva y el radio atómico.
2. b) Justificá por qué los gases nobles carecen generalmente de valores definidos de electronegatividad en la escala de Pauling habitual.

La afinidad electrónica mide la variación de energía cuando un átomo neutro gaseoso adquiere un electrón: $\mathrm{X}_{\text{(g)}} + \mathrm{e}^- \to \mathrm{X}^-_{\text{(g)}}$. Según el convenio termodinámico habitual, el proceso exotérmico presenta $\Delta H_{\text{ae}} < 0$. Los valores termodinámicos para los halógenos cloro y flúor son $\Delta H_{\text{ae}}(\mathrm{Cl}) = -349\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ y $\Delta H_{\text{ae}}(\mathrm{F}) = -328\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, mientras que para el nitrógeno gaseoso es $\Delta H_{\text{ae}}(\mathrm{N}) \ge 0$.

1. a) Explicá por qué la incorporación de un electrón al flúor desprende menor cantidad de energía que al cloro, a pesar de que el flúor posee mayor electronegatividad y menor radio atómico.
2. b) Justificá detalladamente por qué el nitrógeno presenta una afinidad electrónica desfavorable (endotérmica o nula) en comparación con el carbono ($\Delta H_{\text{ae}} = -122\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$).

Se analizan cuatro elementos químicos representativos, denotados correlativamente como W, X, Y y Z. Se conocen los siguientes datos experimentales:

1. W y X pertenecen al mismo periodo; W es un metal alcalinotérreo y X es un no metal del grupo 16.

2. Y pertenece al mismo grupo que W y al tercer período; su radio atómico es menor que el de W.

3. Z tiene la configuración electrónica $[\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^5$.

4. El elemento W posee una primera energía de ionización de $590\text{ kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ y un radio atómico de $197\text{ pm}$.

1. a) Deducí la identidad y la configuración electrónica completa de W, X, Y y Z sabiendo que W pertenece al cuarto periodo.
2. b) Ordená los cuatro elementos según su primera energía de ionización creciente y justificá el orden de electronegatividad entre X y Z.