IChO 2003 · Theory problem 20
Largest third ionisation energy
Which of the following elements has the largest third ionization energy?
a) \(\ce{B}\) \(\boxed{(\;)}\)
b) \(\ce{C}\) \(\boxed{(\;)}\)
c) \(\ce{N}\) \(\boxed{(\;)}\)
d) \(\ce{Mg}\) \(\boxed{(\;)}\)
e) \(\ce{Al}\) \(\boxed{(\;)}\)
Official English text of the problem.
Answers
- 20. d) \(\ce{Mg}\), magnesium. Mark the box beside d).
Solution
20. The third ionization energy is the energy required to remove an electron from a gaseous doubly charged positive ion. Thus, compare the electron configurations after the first two ionizations:
| Ion (name and SMILES) | Electron configuration | Electron removed in the third ionization |
|---|---|---|
Boron dication, [B+2] |
\(1s^2\,2s^1\) | \(2s\) valence electron |
Carbon dication, [C+2] |
\(1s^2\,2s^2\) | \(2s\) valence electron |
Nitrogen dication, [N+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^1\) | \(2p\) valence electron |
Magnesium dication, [Mg+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\) | \(2p\) core electron |
Aluminium dication, [Al+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) | \(3s\) valence electron |
Magnesium has already lost both of its \(3s\) valence electrons, leaving a closed shell with the electron configuration of neon. Its third ionization,
\[ \ce{Mg^2+(g) -> Mg^3+(g) + e-}, \]
therefore removes an electron from this inner closed shell. The product is the magnesium trication, [Mg+3].
This core electron is strongly bound: it occupies the \(n=2\) shell and experiences the attraction of magnesium’s nucleus with 12 protons. The \(n=2\) electrons removed from boron, carbon, and nitrogen are valence electrons in atoms with much lower nuclear charges. Aluminium instead loses its remaining \(3s\) valence electron.
Consequently, magnesium has the largest third ionization energy.
The answers were checked against the official answers published by the organisers.
IChO 2003 · Theorieaufgabe 20
Höchste dritte Ionisierungsenergie
Welches der folgenden Elemente hat die höchste dritte Ionisierungsenergie?
a) \(\ce{B}\) \(\boxed{(\;)}\)
b) \(\ce{C}\) \(\boxed{(\;)}\)
c) \(\ce{N}\) \(\boxed{(\;)}\)
d) \(\ce{Mg}\) \(\boxed{(\;)}\)
e) \(\ce{Al}\) \(\boxed{(\;)}\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 20. d) \(\ce{Mg}\), Magnesium. Kreuzen Sie das Kästchen neben d) an.
Lösung
20. Die dritte Ionisierungsenergie ist die Energie, die erforderlich ist, um einem gasförmigen, zweifach positiv geladenen Ion ein Elektron zu entziehen. Vergleichen Sie daher die Elektronenkonfigurationen nach den ersten beiden Ionisierungen:
| Ion (Name und SMILES) | Elektronenkonfiguration | Bei der dritten Ionisierung entferntes Elektron |
|---|---|---|
Bor-Dikation, [B+2] |
\(1s^2\,2s^1\) | \(2s\)-Valenzelektron |
Kohlenstoff-Dikation, [C+2] |
\(1s^2\,2s^2\) | \(2s\)-Valenzelektron |
Stickstoff-Dikation, [N+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^1\) | \(2p\)-Valenzelektron |
Magnesium-Dikation, [Mg+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\) | \(2p\)-Rumpfelektron |
Aluminium-Dikation, [Al+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) | \(3s\)-Valenzelektron |
Magnesium hat bereits seine beiden \(3s\)-Valenzelektronen abgegeben, sodass eine abgeschlossene Schale mit der Elektronenkonfiguration von Neon zurückbleibt. Bei seiner dritten Ionisierung,
\[ \ce{Mg^2+(g) -> Mg^3+(g) + e-}, \]
wird daher ein Elektron aus dieser inneren abgeschlossenen Schale entfernt. Das Produkt ist das Magnesium-Trikation, [Mg+3].
Dieses Rumpfelektron ist stark gebunden: Es befindet sich in der Schale mit \(n=2\) und erfährt die Anziehung des Magnesiumkerns mit seinen 12 Protonen. Die Elektronen mit \(n=2\), die Bor, Kohlenstoff und Stickstoff entzogen werden, sind Valenzelektronen in Atomen mit deutlich geringeren Kernladungen. Aluminium verliert hingegen sein verbleibendes \(3s\)-Valenzelektron.
Folglich hat Magnesium die höchste dritte Ionisierungsenergie.
Die Ergebnisse wurden mit den von den Veranstaltern veröffentlichten offiziellen Ergebnissen abgeglichen.
IChO 2003 · Teori sorusu 20
En büyük üçüncü iyonlaşma enerjisi
Aşağıdaki elementlerden hangisinin üçüncü iyonlaşma enerjisi en büyüktür?
a) \(\ce{B}\) \(\boxed{(\;)}\)
b) \(\ce{C}\) \(\boxed{(\;)}\)
c) \(\ce{N}\) \(\boxed{(\;)}\)
d) \(\ce{Mg}\) \(\boxed{(\;)}\)
e) \(\ce{Al}\) \(\boxed{(\;)}\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 20. d) \(\ce{Mg}\), magnezyum. d) seçeneğinin yanındaki kutuyu işaretleyin.
Çözüm
20. Üçüncü iyonlaşma enerjisi, gaz hâlindeki iki pozitif yüklü bir iyondan bir elektron koparmak için gereken enerjidir. Bu nedenle, ilk iki iyonlaşmadan sonraki elektron dizilimlerini karşılaştırın:
| İyon (adı ve SMILES gösterimi) | Elektron dizilimi | Üçüncü iyonlaşmada koparılan elektron |
|---|---|---|
Bor dikatyonu, [B+2] |
\(1s^2\,2s^1\) | \(2s\) değerlik elektronu |
Karbon dikatyonu, [C+2] |
\(1s^2\,2s^2\) | \(2s\) değerlik elektronu |
Azot dikatyonu, [N+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^1\) | \(2p\) değerlik elektronu |
Magnezyum dikatyonu, [Mg+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\) | \(2p\) iç katman elektronu |
Alüminyum dikatyonu, [Al+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) | \(3s\) değerlik elektronu |
Magnezyum, her iki \(3s\) değerlik elektronunu da zaten kaybetmiş ve geriye neonun elektron dizilimine sahip kapalı bir katman kalmıştır. Bu nedenle üçüncü iyonlaşması,
\[ \ce{Mg^2+(g) -> Mg^3+(g) + e-}, \]
bu kapalı iç katmandan bir elektron koparır. Oluşan ürün magnezyum trikatyonudur, [Mg+3].
Bu iç katman elektronu güçlü bir şekilde bağlıdır: \(n=2\) katmanında bulunur ve magnezyumun 12 protonlu çekirdeğinin çekim etkisi altındadır. Bor, karbon ve azottan koparılan \(n=2\) elektronları, çekirdek yükleri çok daha düşük olan atomların değerlik elektronlarıdır. Alüminyum ise geriye kalan \(3s\) değerlik elektronunu kaybeder.
Dolayısıyla, üçüncü iyonlaşma enerjisi en büyük olan element magnezyumdur.
Sonuçlar, düzenleyicilerin yayımladığı resmi sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2003 · Problema teórico 20
Mayor tercera energía de ionización
¿Cuál de los siguientes elementos tiene la mayor tercera energía de ionización?
a) \(\ce{B}\) \(\boxed{(\;)}\)
b) \(\ce{C}\) \(\boxed{(\;)}\)
c) \(\ce{N}\) \(\boxed{(\;)}\)
d) \(\ce{Mg}\) \(\boxed{(\;)}\)
e) \(\ce{Al}\) \(\boxed{(\;)}\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 20. d) \(\ce{Mg}\), magnesio. Marque la casilla junto a d).
Solución
20. La tercera energía de ionización es la energía necesaria para extraer un electrón de un ion gaseoso con doble carga positiva. Por tanto, compare las configuraciones electrónicas después de las dos primeras ionizaciones:
| Ion (nombre y SMILES) | Configuración electrónica | Electrón extraído en la tercera ionización |
|---|---|---|
Dicatión de boro, [B+2] |
\(1s^2\,2s^1\) | Electrón de valencia \(2s\) |
Dicatión de carbono, [C+2] |
\(1s^2\,2s^2\) | Electrón de valencia \(2s\) |
Dicatión de nitrógeno, [N+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^1\) | Electrón de valencia \(2p\) |
Dicatión de magnesio, [Mg+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\) | Electrón interno \(2p\) |
Dicatión de aluminio, [Al+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) | Electrón de valencia \(3s\) |
El magnesio ya ha perdido sus dos electrones de valencia \(3s\), por lo que queda una capa cerrada con la configuración electrónica del neón. Su tercera ionización,
\[ \ce{Mg^2+(g) -> Mg^3+(g) + e-}, \]
extrae, por tanto, un electrón de esta capa interna cerrada. El producto es el tricatión de magnesio, [Mg+3].
Este electrón interno está fuertemente ligado: ocupa la capa \(n=2\) y experimenta la atracción del núcleo del magnesio, que tiene 12 protones. Los electrones \(n=2\) extraídos del boro, del carbono y del nitrógeno son electrones de valencia en átomos con cargas nucleares mucho menores. El aluminio, en cambio, pierde el electrón de valencia \(3s\) que le queda.
En consecuencia, el magnesio tiene la mayor tercera energía de ionización.
Los resultados se comprobaron con los resultados oficiales publicados por los organizadores.
IChO 2003 · 理论题 20
最大的第三电离能
下列元素中，哪一种的第三电离能最大？
a) \(\ce{B}\) \(\boxed{(\;)}\)
b) \(\ce{C}\) \(\boxed{(\;)}\)
c) \(\ce{N}\) \(\boxed{(\;)}\)
d) \(\ce{Mg}\) \(\boxed{(\;)}\)
e) \(\ce{Al}\) \(\boxed{(\;)}\)
题目译自官方英文原文。
答案
- 20. d) \(\ce{Mg}\)，镁。 在 d) 旁的方框内作标记。
解答
20. 第三电离能是从气态二价阳离子中移去一个电子所需的能量。因此，应比较前两次电离后的电子排布：
| 离子（名称和 SMILES） | 电子排布 | 第三次电离时移去的电子 |
|---|---|---|
二价硼离子，[B+2] |
\(1s^2\,2s^1\) | \(2s\) 价电子 |
二价碳离子，[C+2] |
\(1s^2\,2s^2\) | \(2s\) 价电子 |
二价氮离子，[N+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^1\) | \(2p\) 价电子 |
二价镁离子，[Mg+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\) | \(2p\) 内层电子 |
二价铝离子，[Al+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) | \(3s\) 价电子 |
镁已经失去了两个 \(3s\) 价电子，形成了具有氖的电子排布的闭壳层。其第三次电离为
\[ \ce{Mg^2+(g) -> Mg^3+(g) + e-}, \]
因此，这次电离移去的是该内层闭壳层中的一个电子。产物为三价镁离子，[Mg+3]。
这个内层电子受到很强的束缚：它位于 \(n=2\) 电子层，受到含有 12 个质子的镁原子核的吸引。从硼、碳和氮中移去的 \(n=2\) 电子则是核电荷数小得多的原子的价电子。而铝失去的是其剩余的 \(3s\) 价电子。
因此，镁的第三电离能最大。
结果已与主办方公布的官方答案核对。
IChO 2003 · Теоретическая задача 20
Наибольшая третья энергия ионизации
Какой из следующих элементов имеет наибольшую третью энергию ионизации?
a) \(\ce{B}\) \(\boxed{(\;)}\)
b) \(\ce{C}\) \(\boxed{(\;)}\)
c) \(\ce{N}\) \(\boxed{(\;)}\)
d) \(\ce{Mg}\) \(\boxed{(\;)}\)
e) \(\ce{Al}\) \(\boxed{(\;)}\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 20. d) \(\ce{Mg}\), магний. Отметьте клетку рядом с d).
Решение
20. Третья энергия ионизации — это энергия, необходимая для удаления электрона из газообразного двухзарядного положительного иона. Поэтому сравним электронные конфигурации после первых двух ионизаций:
| Ион (название и SMILES) | Электронная конфигурация | Электрон, удаляемый при третьей ионизации |
|---|---|---|
Двухзарядный катион бора, [B+2] |
\(1s^2\,2s^1\) | Валентный \(2s\)-электрон |
Двухзарядный катион углерода, [C+2] |
\(1s^2\,2s^2\) | Валентный \(2s\)-электрон |
Двухзарядный катион азота, [N+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^1\) | Валентный \(2p\)-электрон |
Двухзарядный катион магния, [Mg+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\) | \(2p\)-электрон внутренней оболочки |
Двухзарядный катион алюминия, [Al+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) | Валентный \(3s\)-электрон |
Магний уже потерял оба своих валентных \(3s\)-электрона, в результате чего осталась замкнутая оболочка с электронной конфигурацией неона. Поэтому при его третьей ионизации,
\[ \ce{Mg^2+(g) -> Mg^3+(g) + e-}, \]
электрон удаляется из этой внутренней замкнутой оболочки. Продуктом является трёхзарядный катион магния, [Mg+3].
Этот электрон внутренней оболочки прочно связан: он находится на оболочке с \(n=2\) и испытывает притяжение ядра магния, содержащего 12 протонов. Электроны с \(n=2\), удаляемые из бора, углерода и азота, являются валентными электронами атомов с гораздо меньшими зарядами ядер. Алюминий же теряет свой оставшийся валентный \(3s\)-электрон.
Следовательно, магний имеет наибольшую третью энергию ионизации.
Ответы проверены по официальным ответам, опубликованным организаторами.
IChO 2003 · مسألة نظرية 20
أكبر طاقة تأين ثالثة
أي العناصر الآتية له أكبر طاقة تأين ثالثة؟
a) \(\ce{B}\) \(\boxed{(\;)}\)
b) \(\ce{C}\) \(\boxed{(\;)}\)
c) \(\ce{N}\) \(\boxed{(\;)}\)
d) \(\ce{Mg}\) \(\boxed{(\;)}\)
e) \(\ce{Al}\) \(\boxed{(\;)}\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 20. d) \(\ce{Mg}\)، المغنيسيوم. ضع علامة في المربع بجانب d).
الحل
20. طاقة التأين الثالثة هي الطاقة اللازمة لنزع إلكترون من أيون موجب ثنائي الشحنة في الحالة الغازية. لذا، نقارن التوزيعات الإلكترونية بعد عمليتي التأين الأولى والثانية:
| الأيون (الاسم وتمثيل SMILES) | التوزيع الإلكتروني | الإلكترون المنزوع في عملية التأين الثالثة |
|---|---|---|
أيون البورون ثنائي الشحنة الموجبة، [B+2] |
\(1s^2\,2s^1\) | إلكترون تكافؤ في \(2s\) |
أيون الكربون ثنائي الشحنة الموجبة، [C+2] |
\(1s^2\,2s^2\) | إلكترون تكافؤ في \(2s\) |
أيون النيتروجين ثنائي الشحنة الموجبة، [N+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^1\) | إلكترون تكافؤ في \(2p\) |
أيون المغنيسيوم ثنائي الشحنة الموجبة، [Mg+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\) | إلكترون داخلي في \(2p\) |
أيون الألومنيوم ثنائي الشحنة الموجبة، [Al+2] |
\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) | إلكترون تكافؤ في \(3s\) |
يكون المغنيسيوم قد فقد بالفعل إلكتروني التكافؤ كليهما في \(3s\)، تاركًا غلافًا مغلقًا ذا توزيع إلكتروني مماثل لتوزيع النيون. ومن ثم، فإن عملية تأينه الثالثة،
\[ \ce{Mg^2+(g) -> Mg^3+(g) + e-}, \]
تنزع إلكترونًا من هذا الغلاف الداخلي المغلق. والناتج هو أيون المغنيسيوم ثلاثي الشحنة الموجبة، [Mg+3].
هذا الإلكترون الداخلي مرتبط بقوة: فهو يشغل الغلاف \(n=2\) ويتعرض لقوة جذب نواة المغنيسيوم التي تحتوي على 12 بروتونًا. أما إلكترونات \(n=2\) المنزوعة من البورون والكربون والنيتروجين فهي إلكترونات تكافؤ في ذرات ذات شحنات نووية أقل بكثير. ويفقد الألومنيوم، بدلًا من ذلك، إلكترون التكافؤ المتبقي لديه في \(3s\).
وبالتالي، للمغنيسيوم أكبر طاقة تأين ثالثة.
تمت مراجعة النتائج بمقارنتها بالنتائج الرسمية التي نشرها المنظمون.