Estructura atómica

Dado que el elemento B es el gas noble del segundo periodo, su número atómico es $Z+1 = 10$. A partir de este dato, se deduce que el número atómico de A es $Z = 9$ y el de C es $Z+2 = 11$.

Este compuesto presenta enlace iónico. Se debe a la gran diferencia de electronegatividad entre el elemento C (metal con baja energía de ionización) y el elemento A (no metal con alta afinidad electrónica). Se produce una transferencia del electrón de valencia del sodio al flúor, originando iones de carga opuesta que se mantienen unidos en una red cristalina mediante interacciones electrostáticas.

Basándonos en la configuración del electrón de mayor energía y siguiendo el principio de Aufbau, completamos las configuraciones electrónicas de los elementos situados en el tercer periodo ($n=3$):Elemento A: Su configuración es $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$. Corresponde al Sodio, símbolo $\ce{Na}$, perteneciente al grupo 1 (alcalinos) y periodo 3.Elemento B: Su configuración es $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$. Corresponde al Aluminio, símbolo $\ce{Al}$, perteneciente al grupo 13 (térreos) y periodo 3.Elemento C: Su configuración es $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$. Corresponde al Azufre, símbolo $\ce{S}$, perteneciente al grupo 16 (anfígenos) y periodo 3.Elemento D: Su configuración es $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$. Corresponde al Cloro, símbolo $\ce{Cl}$, perteneciente al grupo 17 (halógenos) y periodo 3.

La energía de ionización es la energía necesaria para extraer el electrón más débilmente unido de un átomo gaseoso en su estado fundamental. Al desplazarnos hacia la derecha en un mismo periodo, el número atómico $Z$ aumenta mientras que el apantallamiento $S$ de los electrones internos permanece prácticamente constante. Esto provoca un aumento de la carga nuclear efectiva $Z_{ef} = Z - S$ sobre los electrones externos. Una mayor $Z_{ef}$ implica una mayor fuerza de atracción del núcleo sobre el electrón, disminuyendo el radio atómico y aumentando la energía necesaria para arrancarlo. Por tanto, el elemento D ($\ce{Cl}$) es el que presenta la mayor energía de ionización.

Los iones más estables se forman buscando la configuración de gas noble más cercano:

Para comparar el tamaño, primero observamos el nivel de energía de los electrones más externos. Los aniones $\ce{S^2-}$ y $\ce{Cl-}$ tienen sus electrones de valencia en el nivel $n=3$, mientras que los cationes $\ce{Na+}$ y $\ce{Al^3+}$ los tienen en el nivel $n=2$, por lo que los aniones son mayores.Dentro de las especies isoelectrónicas (mismo número de electrones), el tamaño disminuye al aumentar la carga nuclear $Z$, ya que una mayor carga positiva atrae con más fuerza a la misma nube electrónica. Entre los aniones ($18e^-$), el azufre ($Z=16$) tiene menor $Z$ que el cloro ($Z=17$), por lo que $\ce{S^2-} > \ce{Cl-}$. Entre los cationes ($10e^-$), el sodio ($Z=11$) tiene menor $Z$ que el aluminio ($Z=13$), por lo que $\ce{Na+} > \ce{Al^3+}$.El orden decreciente de tamaño es:

Enlace entre A ($\ce{Na}$, metal de baja electronegatividad) y C ($\ce{S}$, no metal de alta electronegatividad): Se produce una transferencia de electrones del metal al no metal, dando lugar a un enlace iónico. La fórmula del compuesto formado es $\ce{Na2S}$.Enlace entre D ($\ce{Cl}$, no metal) y D ($\ce{Cl}$, no metal): Al tener idéntica y alta electronegatividad, los átomos comparten pares de electrones para alcanzar el octeto, dando lugar a un enlace covalente. La fórmula de la especie formada es $\ce{Cl2}$.

Para el elemento A ($Z = 17$), siguiendo el principio de Aufbau, la configuración electrónica es:

Su electrón diferenciador está en el nivel $n = 3$, subnivel $p$, con 7 electrones de valencia ($s^2 p^5$). Se trata del cloro, símbolo $\ce{Cl}$, situado en el periodo 3 y grupo 17 (halógenos).Para el elemento B ($Z = 12$), siguiendo el principio de Aufbau, la configuración electrónica es:

Su electrón diferenciador está en el nivel $n = 3$, subnivel $s$, con 2 electrones de valencia ($s^2$). Se trata del magnesio, símbolo $\ce{Mg}$, situado en el periodo 3 y grupo 2 (alcalinotérreos).

Ambos elementos pertenecen al mismo periodo ($n = 3$). Al avanzar de izquierda a derecha en un periodo, aumenta la carga nuclear ($Z$) mientras que el apantallamiento ($S$) ejercido por los electrones internos se mantiene prácticamente constante. Como consecuencia, la carga nuclear efectiva ($Z_{ef} = Z - S$) aumenta de B a A.Una mayor $Z_{ef}$ implica una mayor atracción electrostática del núcleo sobre los electrones externos, lo que requiere un mayor aporte energético para arrancar el electrón. Por tanto, el elemento A (cloro) tiene una mayor energía de ionización que el elemento B (magnesio).

Los elementos tienden a ganar o perder electrones para alcanzar la configuración de gas noble (octeto completo), que proporciona máxima estabilidad.El elemento A ($s^2 p^5$) tiende a ganar un electrón para completar su capa de valencia, formando el anión cloruro $\ce{Cl-}$. Su configuración electrónica es:

El elemento B ($s^2$) tiende a perder sus dos electrones de valencia para adquirir la configuración del gas noble anterior (neón), formando el catión magnesio $\ce{Mg^2+}$. Su configuración electrónica es:

Para el elemento A, el radio del anión $\ce{Cl-}$ es mayor que el del átomo neutro $\ce{Cl}$. Al ganar un electrón manteniendo la misma carga nuclear ($Z = 17$), aumenta la repulsión interelectrónica, lo que provoca una expansión de la nube electrónica.Para el elemento B, el radio del catión $\ce{Mg^2+}$ es menor que el del átomo neutro $\ce{Mg}$. La pérdida de los dos electrones de la capa $n = 3$ hace que el ion tenga un nivel de energía menos. Además, al haber menos electrones para la misma carga nuclear ($Z = 12$), la $Z_{ef}$ sobre los electrones restantes aumenta, atrayéndolos con más fuerza hacia el núcleo.