Periodicidad de las propiedades

Todos los elementos de la columna 1 de la tabla, los metales alcalinos, terminan su configuración electrónica en $s^1$.

1. a) ¿Qué tienen en común las configuraciones electrónicas de todos los elementos de un mismo grupo?
2. b) ¿Qué consecuencia tiene ese parecido sobre sus propiedades químicas? Pon un ejemplo concreto del grupo 1.

En el laboratorio, el sodio se conserva sumergido en aceite mineral porque reacciona violentamente con el agua e incluso con la humedad del aire.

1. a) Describe qué se observa al echar un trocito pequeño de sodio en una cuba con agua.
2. b) ¿Qué gas se desprende en la reacción? ¿Qué carácter, ácido o básico, tiene la disolución resultante?

El helio de los globos y el neón de los letreros luminosos son gases nobles.

1. a) ¿Qué tienen de especial las configuraciones electrónicas de los gases nobles?
2. b) ¿Por qué apenas forman compuestos químicos? ¿Qué ventaja ofrece el helio frente al hidrógeno, que es inflamable, para llenar globos?

El tercer periodo de la tabla, de izquierda a derecha, es: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl y Ar.

1. a) Indica cuáles de estos elementos son metales, cuáles no metales y cuál es un metaloide.
2. b) ¿Cómo cambia el carácter metálico al avanzar de izquierda a derecha en un periodo?

Un cable de cobre conduce la corriente eléctrica; un trozo de azufre, no.

1. a) Menciona tres propiedades típicas de los metales que no comparten los no metales.
2. b) ¿En qué zonas de la tabla periódica (izquierda, centro, derecha) se ubican los metales y los no metales?

Un elemento es un gas incoloro, inodoro y totalmente inerte; la industria lo usa como atmósfera protectora en la soldadura por arco y para rellenar el espacio entre los cristales de las ventanas de doble panel.

1. a) ¿A qué grupo de la tabla periódica pertenece?
2. b) Su átomo tiene $18$ electrones: ¿de qué elemento se trata? Escribe su configuración electrónica y explica, a partir de ella, por qué es inerte.

Ordena de mayor a menor carácter metálico los elementos Na, Mg, S y Si.

1. a) Justifica el orden a partir de sus posiciones en el tercer período.
2. b) Explica qué propiedad macroscópica, como la conducción de la corriente eléctrica, cambiaría al recorrer la serie en ese orden.

Algunos radios atómicos medidos son: Li: $152\ \text{pm}$, Na: $186\ \text{pm}$ y K: $227\ \text{pm}$ en el grupo 1; y Na: $186\ \text{pm}$, Mg: $160\ \text{pm}$ y Al: $143\ \text{pm}$ en el tercer periodo. La figura dibuja los seis átomos a escala:

1. a) Describe, con estos datos, la tendencia del radio atómico al bajar en un grupo y al avanzar en un periodo.
2. b) Explícala: ¿qué se añade al bajar en un grupo que hace crecer el átomo, y qué aumenta al avanzar en un periodo que atrae más fuertemente a la corteza electrónica?

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

Radios medidos: Na: $186\ \text{pm}$ y $\text{Na}^{+}$: $95\ \text{pm}$; Cl: $99\ \text{pm}$ y $\text{Cl}^{-}$: $181\ \text{pm}$. La figura dibuja átomos e iones a escala:

1. a) ¿Qué ion es menor que su átomo neutro y cuál es mayor? Compara numéricamente cada pareja.
2. b) Explica ambos cambios contando electrones y niveles: ¿qué pierde el sodio al ionizarse y por qué crece tanto el cloro al ganar un electrón (piensa en la repulsión entre electrones)?
3. c) El ion $\text{Na}^{+}$ y el ion $\text{F}^{-}$ son isoelectrónicos (tienen $10$ electrones): predice cuál de los dos será mayor y justifícalo comparando sus cargas nucleares ($Z = 11$ para el Na y $Z = 9$ para el F).

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

La primera energía de ionización (energía necesaria para arrancar el electrón más externo, en $\text{kJ/mol}$) vale: Na: $496$, Mg: $738$, Al: $578$ y Cl: $1251$ en el tercer periodo; y Li: $520$, Na: $496$ y K: $419$ en el grupo 1. La gráfica representa todos estos valores:

1. a) Enuncia las dos tendencias de la energía de ionización: al avanzar en un periodo y al bajar en un grupo.
2. b) Relaciona la baja energía de ionización de los metales alcalinos con su facilidad para formar iones $\text{X}^{+}$ y, a la vez, con su gran reactividad.

La electronegatividad mide la tendencia de un átomo a atraer hacia sí los electrones de un enlace. Algunos valores: F: $4.0$, O: $3.5$, Cl: $3.2$, S: $2.6$, Na: $0.9$ y Cs: $0.7$.

1. a) Comprueba con estos datos que la electronegatividad crece al avanzar en un periodo y decrece al bajar en un grupo.
2. b) ¿Qué elemento de la tabla es el más electronegativo y en qué rincón está? ¿Dónde están, en cambio, los elementos menos electronegativos?

Las tres primeras energías de ionización sucesivas de un elemento del tercer periodo son $E_{i,1} = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_{i,2} = 1451\ \text{kJ/mol}$ y $E_{i,3} = 7733\ \text{kJ/mol}$. La gráfica representa las tres energías a escala:

1. a) Calcula cuántas veces es mayor $E_{i,2}$ que $E_{i,1}$ y cuántas veces es mayor $E_{i,3}$ que $E_{i,2}$.
2. b) ¿Entre qué ionizaciones está el «salto»? ¿Cuántos electrones de valencia tiene ese átomo? Justifica tu respuesta.
3. c) Sabiendo que su configuración termina en $3s^2$, identifica el elemento y explica por qué arrancarle el tercer electrón cuesta tanto: ¿de dónde sale ese electrón?

Las células fotoeléctricas de algunas barreras de seguridad industriales contienen cesio: basta la luz visible para arrancar electrones de su superficie.

1. a) Relaciona esa propiedad con la primera energía de ionización del cesio ($376\ \text{kJ/mol}$, la menor de los metales alcalinos) y con su posición en el grupo 1.
2. b) El sodio tiene $E_{i,1} = 496\ \text{kJ/mol}$: razona, con la tendencia del grupo, por qué el cesio es más adecuado que el sodio para esta aplicación.
3. c) El sodio y el potasio se guardan bajo aceite: usa las tendencias del grupo para explicar qué ocurriría si se almacenaran a la intemperie y por qué el litio puede manipularse con algo más de calma.

Si se representa la primera energía de ionización frente al número atómico $Z$ para los primeros $20$ elementos, se obtiene una gráfica de dientes de sierra: picos en He, Ne y Ar, valles en Li, Na y K, y una subida general dentro de cada periodo. La figura muestra esa representación:

1. a) Explica, con sus configuraciones electrónicas, por qué los picos corresponden a los gases nobles.
2. b) Explica por qué los valles corresponden a los metales alcalinos.
3. c) Sin consultar valores, predice en qué elemento de los alrededores de $Z = 36$ aparecerá el siguiente pico y en cuál el siguiente valle: justifica ambas predicciones.

El cloro que desinfecta las piscinas y el yodo de las farmacias son halógenos (grupo 17).

1. a) ¿Cuántos electrones de valencia tienen los halógenos? ¿Qué ion forman al ganar un electrón?
2. b) Explica, con el intercambio de electrones entre ambos átomos, por qué el sodio y el cloro reaccionan formando cloruro de sodio, $\text{NaCl}$.

A partir del grupo al que pertenece cada elemento, indica qué ion forma y justifícalo con el número de electrones que gana o pierde para completar su último nivel:

1. a) magnesio (grupo 2)
2. b) nitrógeno (grupo 15)
3. c) potasio (grupo 1)

El sodio forma iones $\text{Na}^{+}$ y el oxígeno, iones $\text{O}^{2-}$.

1. a) ¿Cuántos iones $\text{Na}^{+}$ hacen falta para compensar la carga de un ion $\text{O}^{2-}$?
2. b) Escribe la fórmula del óxido de sodio. ¿Cuál será la fórmula del óxido de potasio, que está en el mismo grupo que el sodio?

Al dejar caer sendos trocitos de litio, sodio y potasio en tres recipientes con agua, la reacción es cada vez más violenta. El esquema dibuja la estructura de capas de los tres átomos:

1. a) Ordena Li, Na, K y Rb de menor a mayor reactividad con el agua y ajusta la ecuación de la reacción del sodio: $\text{Na} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaOH} + \text{H}_2$.
2. b) Explica la tendencia: cuanto más abajo está el metal alcalino en el grupo, ¿más fácil o más difícil es arrancarle su electrón de valencia? Relaciónalo con su reactividad.

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

La reactividad de los halógenos varía al contrario que la de los metales alcalinos: el flúor es el más reactivo y el yodo, el menos.

1. a) Al burbujear cloro en una disolución de bromuro de potasio, la disolución se tiñe de pardo porque aparece bromo: $\text{Cl}_2 + \text{KBr} \rightarrow \text{Br}_2 + \text{KCl}$. Ajusta la ecuación y explica qué significa que el cloro «desplace» al bromo de sus compuestos.
2. b) Predice si el yodo desplazaría al cloro de una disolución de $\text{NaCl}$. Justifica tu respuesta con la tendencia del grupo.

Predice la fórmula de estos compuestos iónicos a partir de las cargas habituales de los iones, justificando el intercambio de electrones:

1. a) aluminio ($\text{Al}^{3+}$) con azufre ($\text{S}^{2-}$)
2. b) calcio ($\text{Ca}^{2+}$) con nitrógeno ($\text{N}^{3-}$)

Los óxidos de los elementos del tercer periodo son: $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{SO}_3$ y $\text{Cl}_2\text{O}_7$. Al reaccionar con agua, los dos primeros dan soluciones básicas y los dos últimos, soluciones ácidas; el $\text{Al}_2\text{O}_3$ y el $\text{SiO}_2$ son prácticamente insolubles, aunque el $\text{SiO}_2$ tiene carácter ácido (reacciona con las bases).

1. a) Relaciona el carácter ácido o básico del óxido con la posición del elemento en el periodo y con su carácter metálico.
2. b) El óxido de aluminio es anfótero: reacciona como base frente a los ácidos y como ácido frente a las bases. ¿Encaja esa ambigüedad con su posición intermedia en el periodo? Justifícalo.
3. c) Predice el carácter (ácido, básico o anfótero) del óxido de potasio, $\text{K}_2\text{O}$, y del dióxido de selenio, $\text{SeO}_2$, a partir de la posición del K y del Se en la tabla.

El selenio ($Z = 34$) es un oligoelemento esencial que aparece en la composición de algunos suplementos dietéticos.

1. a) Escribe su configuración electrónica y deduce su periodo y su grupo.
2. b) Predice: su ion más habitual, la fórmula de su compuesto con el sodio y la fórmula de su hidruro (el compuesto con hidrógeno análogo al agua).
3. c) Compara su reactividad con la del azufre, que está justo encima en el mismo grupo, y justifícala con la tendencia de los no metales al bajar en un grupo.

La reacción del sodio con el agua es $2\ \text{Na} + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{NaOH} + \text{H}_2$.

1. a) En una demostración en el laboratorio se usan $0.2\ \text{mol}$ de sodio: ¿cuántos moles de $\text{H}_2$ se desprenden? ¿Qué masa de hidrógeno es ($M(\text{H}) = 1\ \text{g/mol}$)?
2. b) ¿Qué masa de $\text{NaOH}$ ($M = 40\ \text{g/mol}$) se forma en esa misma demostración?
3. c) La reacción desprende mucho calor y el hidrógeno puede arder: explica, con la tendencia de reactividad del grupo 1, por qué hacer la misma demostración con potasio es aún más peligroso.

No existe el compuesto $\text{NaCl}_2$ y sí el $\text{MgCl}_2$; tampoco existe el $\text{MgCl}$.

1. a) Usando las configuraciones electrónicas del sodio y del magnesio, explica qué tendría que ocurrir para que existiera el ion $\text{Na}^{2+}$ y por qué eso no se da (piensa en lo que cuesta la segunda ionización).
2. b) Explica por qué el ion $\text{Mg}^{+}$ no aparece en los compuestos iónicos y sí el $\text{Mg}^{2+}$.
3. c) Concluye generalizando: ¿cómo «decide» la tabla periódica las fórmulas de los compuestos iónicos? Escribe la regla para un metal del grupo $g$ que forma iones $\text{X}^{g+}$ combinado con un halógeno que forma iones $\text{Y}^{-}$.

Reto del tema. Tu misión es investigar cómo la estructura electrónica define las propiedades macroscópicas y emular a Mendeléyev analizando la periodicidad.

1. Historia y radiación: Consulta en la base de datos NIST Basic Atomic Spectroscopic Data las líneas de emisión visibles del $\text{Na}$ y del $\text{Ca}$. Calcula la energía de los fotones emitidos con $E = h \times \frac{c}{\lambda}$ y explica cómo la interacción con la radiación electromagnética superó las limitaciones de la ordenación por masa atómica.

2. Experimento casero: Corta $5$ láminas rectangulares de papel de aluminio de distintos tamaños (áreas entre unos $1000$ y $5000\text{ cm}^2$, para que cada masa sea de varios gramos). Mide sus dimensiones con una regla (incertidumbre $\pm 0.1\text{ cm}$) para hallar el área ($A$) y su masa con una báscula de cocina ($\pm 1\text{ g}$). Registra los datos en una tabla con sus incertidumbres, representa la gráfica de $m$ frente a $A$ y deduce la densidad superficial y, con la densidad tabulada del aluminio ($\rho_{\text{Al}} = 2.70\text{ g/cm}^3$), el espesor del material.

3. Periodicidad y síntesis: Recopila en la web de IUPAC o Ptable las densidades y radios atómicos de los elementos del periodo 3. Elabora un breve informe argumentando cómo la carga nuclear efectiva ($Z^*$) y el apantallamiento justifican la variación del radio atómico y qué otros factores (masa atómica, estado físico, tipo de enlace y empaquetamiento) explican la de la densidad; sitúa en esa variación la densidad del aluminio que has usado en el apartado 2.

Se valorará:

• Rigor en el cálculo de la radiación emitida y su fundamentación histórica.

• Calidad de la toma de datos, tratamiento de incertidumbres, tabla y gráfica.

• Justificación teórica sólida de las propiedades periódicas a partir de la configuración electrónica.