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Física y Química 3.º ESO · La tabla periódica: grupos, familias y carácter metálico

Ampliación: energía de ionización y electronegatividad

Objetivo: Al terminar, sabrás qué son la energía de ionización y la electronegatividad, cómo varían en la tabla periódica y cómo explican el carácter metálico, la reactividad y si un óxido es básico o ácido.

Explicación

Dos propiedades que explican el carácter metálico

Ya sabes que los metales tienden a perder electrones y los no metales a ganarlos. Dos propiedades de los átomos permiten medir esas tendencias.

Energía de ionización

La energía de ionización es la energía que hay que dar a un átomo (en estado gaseoso) para arrancarle el electrón más externo: $\text{Na} + \text{energía} \rightarrow \text{Na}^+ + e^-$

Si es pequeña, el átomo pierde electrones con facilidad: es muy metálico (alcalinos: unos 400–500 kJ/mol).
Si es grande, cuesta mucho arrancarle un electrón: es un no metal o un gas noble (helio: unos 2400 kJ/mol, la mayor de todas).
Disminuye al bajar en un grupo (el electrón está más lejos del núcleo) y aumenta hacia la derecha en un periodo (con alguna pequeña excepción).

Electronegatividad

La electronegatividad es la tendencia de un átomo a atraer hacia sí los electrones cuando está unido a otro átomo. Se mide en la escala de Pauling, que va de 0,7 (francio) a 4,0 (flúor).

Los no metales tienen electronegatividades altas (F ≈ 4,0; O ≈ 3,4; Cl ≈ 3,2).
Los metales, bajas (Na ≈ 0,9; K ≈ 0,8).
Aumenta hacia arriba en un grupo y hacia la derecha en un periodo. A los gases nobles no se les suele asignar valor.

Las dos propiedades varían en el mismo sentido y al revés que el carácter metálico: el elemento más metálico (abajo a la izquierda) tiene la energía de ionización y la electronegatividad más bajas.

Óxidos básicos y óxidos ácidos

El carácter metálico también se nota en los óxidos (compuestos con oxígeno):

Los óxidos de metales son básicos: con agua forman hidróxidos, que son bases. $\text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2$
Los óxidos de no metales son ácidos: con agua forman ácidos. $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{CO}_3$

Puntos clave

Energía de ionización: energía para arrancar el electrón más externo de un átomo.
Electronegatividad: tendencia de un átomo a atraer los electrones del enlace (escala de Pauling, de 0,7 a 4,0).
Ambas aumentan hacia arriba y hacia la derecha; el carácter metálico, al revés.
Metales: energía de ionización y electronegatividad bajas. No metales: altas.
Los óxidos de metales son básicos y los de no metales, ácidos.

Errores frecuentes

ErrorPensar que una energía de ionización alta significa que el elemento es muy reactivo.
Cómo corregirloEn los metales es al revés: cuanto más baja es la energía de ionización, más fácil pierden el electrón y más reactivos son. Los gases nobles tienen la más alta y no reaccionan.
ErrorConfundir electronegatividad con carga negativa del ion.
Cómo corregirloLa electronegatividad es una tendencia del átomo a atraer electrones cuando forma un enlace; no es una carga.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Picos y valles de la energía de ionización gráfico
La gráfica muestra la energía de ionización de los 20 primeros elementos (valores aproximados). a) ¿Qué elementos están en los picos? ¿Y en los valles? b) ¿Qué ocurre con la energía de ionización de los alcalinos Li ( $Z = 3$ ), Na ( $Z = 11$ ) y K ( $Z = 19$ )? c) Relaciónalo con su reactividad.

Resolución
a) Los picos son los gases nobles: He ( $Z = 2$ , unos 2370 kJ/mol), Ne ( $Z = 10$ , unos 2080 kJ/mol) y Ar ( $Z = 18$ , unos 1520 kJ/mol). Su última capa está completa y cuesta muchísimo arrancarles un electrón. Los valles, justo después, son los alcalinos: Li, Na y K. b) Disminuye al bajar en el grupo: Li ≈ 520 kJ/mol > Na ≈ 496 kJ/mol > K ≈ 419 kJ/mol. c) Cuanto menor es la energía de ionización, más fácil pierde el átomo su electrón y más reactivo es el metal: K > Na > Li, como se ve al echarlos al agua.

A lo largo de cada periodo (de Li a Ne o de Na a Ar), la energía de ionización tiende a aumentar, con pequeños dientes de sierra.
Ejemplo 2. Quemar magnesio y azufre experimental (laboratorio)
En el laboratorio se quema una cinta de magnesio y un poco de azufre (en la campana de gases). Cada óxido obtenido se disuelve en agua con unas gotas de indicador universal: el del magnesio se vuelve azul-violeta y el del azufre, rojo. Explica el resultado.

Resolución
1. Al arder se forman óxidos: $2\,\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{MgO}$ y $\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$ .
2. Con agua:
  - $\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2$ : un hidróxido, básico (indicador azul-violeta).
  - $\text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3$ : un ácido (indicador rojo).
3. El magnesio es un metal (grupo 2): su óxido es básico. El azufre es un no metal (grupo 16): su óxido es ácido.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Ordena de mayor a menor energía de ionización: sodio (Na), cesio (Cs), litio (Li) y potasio (K). ¿Cuál será el más reactivo?

Ver solución
Li > Na > K > Cs. El más reactivo, el cesio.
Son alcalinos; la energía de ionización disminuye al bajar en el grupo: Li (≈ 520 kJ/mol) > Na (≈ 496) > K (≈ 419) > Cs (≈ 376). El cesio es el que pierde su electrón con más facilidad: es el más reactivo.
2. Fácil
Ordena de menor a mayor electronegatividad: oxígeno (O), carbono (C), flúor (F) y nitrógeno (N). ¿Cuál es el elemento más electronegativo de toda la tabla?

Ver solución
C < N < O < F. El flúor.
Los cuatro están en el periodo 2; la electronegatividad aumenta hacia la derecha: C (≈ 2,6) < N (≈ 3,0) < O (≈ 3,4) < F (≈ 4,0). El flúor, arriba a la derecha (sin contar los gases nobles), es el más electronegativo de la tabla.
3. Media
Clasifica estos óxidos en básicos o ácidos y justifícalo: $\text{Na}_2\text{O}$ , $\text{CO}_2$ , $\text{CaO}$ , $\text{SO}_3$ , $\text{MgO}$ , $\text{NO}_2$ .
Ver solución
Básicos: Na₂O, CaO, MgO. Ácidos: CO₂, SO₃, NO₂.
- Na, Ca y Mg son metales → $\text{Na}_2\text{O}$ , $\text{CaO}$ y $\text{MgO}$ son básicos (por ejemplo, $\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{NaOH}$ ).
- C, S y N son no metales → $\text{CO}_2$ , $\text{SO}_3$ y $\text{NO}_2$ son ácidos (por ejemplo, $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$ ).

Para practicar más

1. Fácil
El cloro y el bromo están en el grupo 17. a) ¿Cuál tiene mayor energía de ionización? b) ¿Cuál es más electronegativo? c) ¿Cuál es más reactivo? Justifícalo.

Ver solución
a) El cloro. b) El cloro. c) El cloro.
El cloro está encima del bromo. Ambas propiedades aumentan hacia arriba: a) Cl (≈ 1250 kJ/mol) > Br (≈ 1140 kJ/mol). b) Cl (≈ 3,2) > Br (≈ 3,0). c) En los no metales, más electronegatividad significa más tendencia a ganar electrones y más reactividad: el cloro es más reactivo.
2. Media
Un elemento X tiene una energía de ionización baja (unos 500 kJ/mol) y una electronegatividad de 0,9. Otro elemento Y tiene una energía de ionización de unos 1000 kJ/mol y una electronegatividad de 2,6. a) ¿Cuál es metal y cuál no metal? b) ¿Cuál forma iones positivos? c) ¿Qué tipo de óxido formará cada uno?

Ver solución
a) X metal; Y no metal. b) X. c) X, óxido básico; Y, óxido ácido.
a) Energía de ionización y electronegatividad bajas → X es un metal (podría ser el sodio). Mucho más altas → Y es un no metal (podría ser el azufre). b) X pierde su electrón externo con facilidad: forma iones positivos. c) El óxido de un metal es básico; el de un no metal, ácido.
3. Media
En los días de mucho tráfico en Madrid aumenta la concentración de dióxido de nitrógeno ( $\text{NO}_2$ ) en el aire, y las centrales que queman carbón emiten dióxido de azufre ( $\text{SO}_2$ ). a) ¿Son óxidos de metales o de no metales? b) ¿Qué ocurre cuando se disuelven en el agua de la lluvia? c) ¿Cómo se llama este problema ambiental?

Ver solución
a) De no metales. b) Forman ácidos. c) Lluvia ácida.
a) El nitrógeno y el azufre son no metales. b) Sus óxidos son ácidos: con el agua forman ácidos (por ejemplo, $\text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3$ ). c) Es la lluvia ácida, que daña bosques, lagos y edificios de piedra.