4.1. Tamaño de los átomos: Radios atómicos e ionicos.

Tamaño de los átomos.

• Radio Atómico: El radio atómico se define como la distancia media que existe entre los núcleos atómicos de dos átomos que se encuentren unidos mediante un enlace (los enlaces atómicos se verán en detalle un poco más adelante). Para los átomos que se unan mediante una cesión de electrones, el radio atómico corresponde a la distancia indicada en la Imagen 12 (a) [izquierda], mientras que los que se unan mediante una compartición de  electrones, el radió atómico se representa tal y como aparece en la Imagen 12 (b) [derecha].  Para esta consideración se considera al átomo como una esfera. El radio atómico aumenta a medida que se aumenta en el período y a medida que se baja en el grupo (Imagen 13).

Imagen 12: Radio Atómico. Las pelotas grises son los núcleos atómicos, mientras las bolas celestes son el electrón mas externo.

(a)

(b)

Imagen 13: Direcciones hacia donde aumenta el Radio Atómico.

• Radio Iónico: El radio iónico se define en relación a iones. Un ion es una especie química con carga, ya sea esta positiva o negativa, y se originan debido a que los elementos tratan de parecerse al gas noble más cercano (elementos del grupo 18), ya que estos tienen una estabilidad superior debido a que sus niveles energéticos se encuentran completos. El término ion significa "ir hacia" y hace referencia a un circuito eléctrico, es por eso que las sustancias cargadas positivamente se llaman cationes (van hacia el cátodo, polo negativo) y las sustancias cargadas negativamente se llaman aniones (van hacia el ánodo, polo positivo). Pero, ¿Qué hace que exista esta especie química cargada? La respuesta es la ganancia o pérdida de electrones. Como un átomo es eléctricamente neutro, cuando, por ejemplo, gana un electrón de más queda con cargado con un -1 mientras que si pierde un electrón queda cargado con un +1. La capacidad de un átomo para ganar o perder electrones está dado por su electronegatividad, electro positividad, energía de ionización y electroafinidad (propiedades que se verán más adelante). El radio iónico de una especie que ha perdido un electrón es menor que el radio atómico original, esto se debe a que como existe una carga positiva más que negativa, los electrones se sienten mucho más atraídos hacia el núcleo, reduciendo el radio. Por su parte, cuando un elemento gana un electrón, su radio iónico es mayor que su radio atómico de origen, debido a que ese último electrón que entró no se encuentra tan atraído hacia el núcleo y hace aumentar el radio (Imagen 14). El radio iónico, al igual que su par atómico, aumenta a medida que se "baja" en un grupo, pero a diferencia del radio atómico, no presenta una tendencia clara de crecimiento en un periodo, ya que depende del ion (y algunos elementos tienen más de un ion posible, como Cu, Fe, Mn, etc.) (Imagen 15).

Imagen 14: Comparaciones entre los radios iónicos (derecha) con respecto a sus radios atómicos originales, (izquierda) para un elemento cualquiera que gane un electrón y otro cualquiera que pierda uno.

Imagen 15: Dirección hacia donde aumenta el radio iónico en la tabla periódica.

  Llegando a este punto es preciso dar una justificación de porque estas dos propiedades periódicas aumentan en las direcciones indicadas y no en otra. Para poder comprender el porqué de este comportamiento es necesario incluir el término de carga nuclear efectiva (Zef). Partiremos definiendo la carga nuclear o número atómico. El número atómico (Z) es la cantidad de protones que contiene un núcleo atómico y se coloca al lado del símbolo químico del elemento (específicamente arriba a la izquierda del elemento). Otro valor que se encuentra es la masa atómica (A), el cual corresponde a la suma total de protones y neutrones del átomo y se localiza abajo a la izquierda del símbolo químico del átomo. Es decir, si consideramos el elemento J, todo esto se vería tal y como aparece en la Imagen 16 (a) y la Imagen 16 (b):

Imagen 16: (a) Escritura de un elemento genérico, incluyendo su Z y su A; (b) Escritura del elemento carbono, usando la simbología en (a).

(a)

(b)

  Ahora bien, la carga nuclear efectiva o Zef es aquella fuerza atractiva "real" que ejerce el núcleo sobre el electrón más externo del átomo (puse "real" debido a que la Zef que calcularemos es un número aproximado). Mientras mayor sea el valor, quiere indicar que la fuerza de atracción núcleo-electrón es mayor, por lo que los electrones se encuentran más cercanos al núcleo atómico, reduciendo el radio atómico. Ahora nos dedicaremos a ver hacia donde aumenta la Zef (en general, porque claro, habrán ciertas excepciones). Para poder calcular la Zef se utiliza la siguiente fórmula:

Zef = Z - S

  Considerando que:

S = 0,35 U.N + 0,85 PU.N + N

  En donde U.N = cantidad de electrones en el último nivel energético, PU.N = cantidad de electrones en el penúltimo nivel energético y N = cantidad de electrones que no hayan sido considerados. A S se le denomina factor de apantallamiento o efecto pantalla, el cual consiste en las interferencias sufridas por el electrón más externo por parte de los electrones más internos. Esta interferencia está relacionada con la fuerza que se pierde en el trayecto desde el núcleo hacia el electrón más externo.

  Ahora bien, teniendo todo lo anterior en cuenta, contamos con las herramientas suficientes para poder corroborar que el orden que se indicó anteriormente de crecimiento tanto del radio iónico como del atómico son correctos, para eso tomaremos el grupo 2 de la tabla periódica (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) y el período 2 (Li, Be, B, C, N, O, F, Ne), lo que nos quedaría de la siguiente manera:

  Partiremos con los radios atómicos de los primeros 4 elementos, tanto del grupo como del período a analizar:

Análisis de crecimiento en el Período 2
Zef_Li: 3 - ([0,35 x 1] + [0,85 x 2]) ==> Zef_Li: 3 - 2,05 ==> Zef_Li: 0,95
Zef_Be: 4 - ([0,35 x 2] + [0,85 x 2]) ==> Zef_Be: 4 - 2,40 ==> Zef_Be: 1,60
Zef_B: 5 - ([0,35 x 3] + [0,85 x 2]) ==> Zef_B: 5 - 2,75 ==> Zef_B: 2,25
Zef_C: 6 - ([0,35 x 4] + [0,85 x 2]) ==> Zef_C: 6 - 3,10 ==> Zef_C: 2,90
...

  Como se puede apreciar, a medida que se avanza en el período, la carga nuclear efectiva, es decir, la fuerza atractiva entre el núcleo y el electrón más externo, se hace cada vez más fuerte, lo que provoca que los electrones estén más cerca del núcleo, disminuyendo su radio atómico, por lo tanto, se comprueba lo que se había dicho anteriormente.

  Ahora analizaremos lo que ocurre en un grupo:

Análisis de crecimiento en el Grupo 2
Zef_Be: 4 - ([0,35 x 2] + [0,85 x 2]) ==> Zef_Be: 4 - 2,40 ==> Zef_Be: 1,60
Zef_Mg: 12 - ([0,35 x 2] + [0,85 x 8] + 2) ==> Zef_Mg: 12 - 9,5 ==> Zef_Mg: 2,5
Zef_Ca: 20 - ([0,35 x 2] + [0,85 x 8] + 10) ==> Zef_Ca: 20 - 17,5 ==> Zef_Ca: 2,5
Zef_Sr: 38 - ([0,35 x 2] + [0,85 x 8] + 28) ==> Zef_Sr: 38 - 35,5 ==> Zef_Sr: 2,5

  Analicemos los resultados obtenidos. Si comparamos los Zef del Be y del Mg, veremos que hubo un incremento en el valor de éste, lo cuál significaría que el radio atómico disminuye, lo que va en contra de lo que se había dicho anteriormente (ver Imagen 13). Ahora, si vemos los demás valores, es notorio que los Zef de los elementos Magnesio (Mg), Calcio (Ca) y Estroncio (Sr) tienen el mismo valor, lo que indicaría que todos ellos tienen el mismo radio atómico. Veamos si es cierto, aquí les coloco los valores de los radios atómicos de los cuatro elementos químicos analizados arriba:

• Be: 0,90 Armstrongs
• Mg: 1,60 Armstrongs
• Ca: 1,97 Armstrongs
• Sr: 2,15 Armstrongs

  (Valores obtenidos del Libro de Javier Guzmán, "Manual de Preparación PSU ciencias, módulo común obligatorio Química", Ed. Universidad Católica de Chile (2005).)

  Como se pueden apreciar en los valores, el radio atómico si aumenta mientras se baja en el grupo, por lo cual, nuestros valores obtenidos deben tener algo errado o debe existir otra explicación para este hecho. Esta explicación es posible de ser encontrada no en Química, sino que en Física. Según la Física, dos cuerpos con cargas opuestas se atraen y dos cuerpos con cargas iguales se repelen, pero, ¿Cuánto se atraen o repelen?, para responder esta pregunta se utiliza la siguiente fórmula:

F = K (Q₁ Q₂)/ D²

En donde F = Fuerza electrostática, Q₁ y Q₂ = cargas de las partículas y D = Separación entre las partículas (en metros). K es una constante de proporcionalidad, cuyo valor ahora no nos interesa.

   Como se puede ver en la fórmula, mientras más grande sea la distancia entre las partículas cargadas, menor será la fuerza atractiva entre ellas. Si llevamos esto a nuestro problema, veremos que a medida que aumentamos en un nivel de energía, el electrón se encuentra a una mayor distancia del núcleo, lo cual induce a que se sienta menos atraído hacia éste, quedando más libre y provocando un aumento del radio atómico. Esta explicación es válida también para el comportamiento del radio iónico en un grupo, ya que sufre el mismo fenómeno.

    Ahora bien, si sacamos el Zef de algunos iones y los comparamos con sus átomos neutros, veremos que lo que se indica en la Imagen 14 se cumple a cabalidad. He aquí un ejemplo:

Be y Be²⁺: Zef_Be: 1,60; y Zef_Be²⁺: 2,30
C y C^4-: Zef_C: 2,90; y Zef_C^4-: 2,50

  Como se ve arriba, cuando un elemento se transforma en un catión, su Zef aumenta, disminuyendo el radio. En caso de que gane electrones su Zef disminuye, haciendo que el radio aumente. En la próxima sección veremos dos propiedades físicas más de los elementos: la densidad atómica y el volumen atómico.

4. Propiedades periódicas y su variación en la tabla.

Propiedades periódicas y su variación en la tabla.

Son propiedades que presentan los átomos de un elemento y que varían en la Tabla Periódica siguiendo la periodicidad de los grupos y periodos de ésta. Por la posición de un elemento podemos predecir qué valores tendrán  dichas propiedades así como a través de ellas, el comportamiento químico del elemento en cuestión. Tal y como hemos dicho, vamos a encontrar una periodicidad de esas propiedades en la tabla. Esto supone por ejemplo, que la variación de una de ellas en los grupos o periodos  va a responder a una regla general. El conocer estas reglas de variación nos va a permitir conocer el comportamiento, desde un punto de vista químico, de un  elemento, ya que dicho comportamiento, depende en gran manera de sus propiedades periódicas. Propiedades más importantes Hay un gran número de propiedades periódicas. Entre las más importantes destacaríamos: - Estructura electrónica- Radio atómico - Volumen atómico   - Potencial de ionización- Afinidad electrónica - Electronegatividad: - Carácter metálico - Valencia iónica- Valencia covalente - Radio iónico - Radio covalenteY también las siguientes propiedades físicas tienen una variación periódica: - Densidad - Calor específico - Punto de ebullición - Punto de fusión Nosotros solamente vamos a describir las nueve primeras, pero en la Tabla  Periódica interactiva de esta  unidad encontrarás los valores de todas ellas correspondientes a cada elemento de la tabla.   Radio atómicoSe define el radio atómico como la distancia más probable del electrón más externo al núcleo.  Obsérvese que decimos distancia más probable, ya que según la mecánica cuántica, el electrón no se encuentra confinado en una órbita o trayectoria cerrada y solamente podemos hablar en términos de probabilidad de encontrar al electrón en un punto dado del espacio. Conceptos próximos al de radio atómico son el de radio iónico  y el de radio covalente  que serían  básicamente el mismo concepto indicado, salvo que se refiera a cuando el átomo está en forma de ión, en el primer caso, o formando una molécula diatómica con otro átomo igual en el segundo. Estas dos propiedades quedan fuera del alcance de nuestro propósito y por ello no hablaremos más. De los datos experimentales que se conocen, se infiere que el radio atómico disminuye a lo largo de un periodo y por el contrario aumenta al descender en un grupo de la Tabla Periódica. Parece que esto es un contrasentido pues es de esperar que al aumentar Z, el átomo al poseer más electrones aumente de tamaño y que por tanto a mayor Z, mayor radio. La explicación no es sencilla, tiene que ver con lo que se denomina "efecto pantalla" que, para explicarlo en términos fáciles de entender, no es otra cosa que el efecto que causan los electrones más internos en el electrón más externo. Hay que pensar que el electrón está sometido a la fuerza de atracción proveniente del núcleo y a la de repulsión debido a los otros electrones que tiene el átomo. Cuando estos electrones están en orbitales más internos (los que tienen n menor) el efecto es mayor que cuando residen en orbitales tan externos como el del electrón al que repelen. Veamos primeramente la variación en un periodo. Cojamos para aclarar el segundo periodo que empieza con el Li=1s22s1 y que acaba con el Ne=1s22s22p6. Si nos fijamos, los siete electrones de diferencia que hay entre uno y otro, se han ido incluyendo en orbitales s o p con el mismo número cuántico principal (n=2), estos nuevos electrones son poco apantallantes y repelen poco al electrón más externo, mientras que el núcleo, de uno a otro elemento, ha aumentado en 8 protones. En el balance, la atracción nuclear supera a la repulsión electrónica por eso el radio disminuye. En un grupo sucede lo contrario. Tomemos como ejemplo el primer grupo de la tabla periódica. Del H Z=1, al Ra Z=88, el núcleo adquiere 87 protones, pero los 87 electrones han ido ocupando orbitales más internos (de n=1 hasta n=6) ocasionando un gran efecto pantalla. En el balance, la repulsión es muy grande frente a la atracción nuclear y esto permite que ese electrón más externo esté poco atraído por el núcleo y por tanto el radio atómico aumente.

Volumen atómico El volumen atómico se define como la masa molecular dividida por la densidad y se suele expresar en cm3/mol. Es fácil: V=M/d  (g/mol : g/cm3= cm3/mol) En el caso de sustancias gaseosas se toma la densidad y el punto de ebullición ya que la densidad de un gas cambia mucho con la temperatura. En realidad, el volumen atómico representa el volumen de un mol de átomos del mismo elemento. La variación en la Tabla Periódica es similar a la del radio atómico, y las razones son las mismas que para el caso del radio atómico

Potencial de ionizaciónSe  define el potencial de ionización como la energía que debemos suministrar a un átomo para arrancarle un electrón. Esquemáticamente, para un átomo A cualquiera, podemos escribir:

A + PI = A⁺ + e^-

donde PI representaría la energía a suministrar. El potencial de ionización nos mide la "facilidad" con la que un átomo neutro se puede convertir en un ión positivo (catión).  En teoría, el proceso puede repetirse y las cantidades de energía necesarias se llamarían segundo potencial de ionización, tercer... etc.

La energía que habrá que suministrar  al electrón para que pueda escapar del átomo tendrá que ver con la mayor o menor fuerza con la que es atraído por el núcleo y repelido por los otros electrones, y esta a su vez depende del número de protones (Z) y de la repulsión de los otros electrones sobre el que se va a arrancar. En definitiva volvemos a lo mismo: al efecto pantalla.

Después de lo dicho, la cosa queda clara. Según bajamos en un grupo el efecto pantalla aumenta, como ya vimos en el caso del radio atómico y, por tanto, según bajamos en un  grupo, el potencial de ionización disminuye. Por  el contrario,  a lo largo del periodo, el efecto pantalla disminuye y por tanto, a lo largo de un periodo, el potencial de ionización aumenta.

Según esto, los elementos cuanto más a la izquierda y más abajo estén situados en la Tabla Periódica (los metales) mayor facilidad tendrán de formar iones positivos.  

Electroafinidad (afinidad electrónica)La electroafinidad o afinidad electrónica se define como la energía desprendida en el proceso mediante el cual un átomo captura un electrón, convirtiéndose en un ión negativo (anión).  Podríamos representar el proceso mediante la ecuación:

A + e^- = A^- + Ea

Siendo Ea la electroafinidad. El proceso es justamente el contrario al que vimos en  el caso del potencial de ionización. Este último era un proceso endoérgico (consume energía), por el contrario el proceso que nos ocupa sería exoérgico (desprende energía) y por tanto, según el principio de mínima energía, cuanto mayor sea la energía desprendida, más estable será el producto (ión) formado. En definitiva, a mayor electroafinidad, mayor tendencia a formar iones negativos

Para comprender la variación  en la Tabla Periódica, debemos hacer el razonamiento contrario al que hicimos en el caso del potencial de ionización, cuanto menor es el efecto pantalla, mayor será la repulsión sufrida por el nuevo electrón y viceversa. Por tanto, está claro que la electroafinidad disminuye al bajar en un grupo y aumenta a lo largo de un periodo.

Según esto, los elementos que presentan mayor tendencia a formar iones negativos estarán situados arriba y a la derecha de la Tabla Periódica.

ElectronegatividadLa electronegatividad se define como una propiedad que nos mide la atracción que ejerce un átomo sobre los electrones del enlace. Es por tanto, una propiedad que no se refiere al átomo aislado, sino al átomo enlazado y más concretamente, cuando está enlazado de manera covalente (compartiendo electrones con otro).  Es claro que aquellos átomos que tienen tendencia a capturar electrones (electroafinidades altas) y  poca tendencia a formar iones positivos (potenciales de ionización altos) serán más electronegativos. Por eso, en 1930, Mulliken estableció una fórmula para calcular la electronegatividad relacionada con los valores de la electroafinidad y del potencial de ionización. La fórmula es:

En=(PI+Ea)/2

Sin embargo el hecho de que no se conozcan experimentalmente el valor de las electroafinidades de muchos átomos hace que esta fórmula sea poco práctica, por ello, el científico americano Linus Pauling (ganador de dos Nobel, uno de ellos Nobel de la Paz) propuso una escala basada en consideraciones teóricas que se escapan de los objetivos de este capítulo. La escala va de 0 a 4, el valor 4 representaría el máximo (el flúor según esta escala es 3,98) y el 0 sería el mínimo (gases nobles como el helio).

La variación de la electronegatividad estará de acuerdo a como  lo hacen el potencial de ionización y la electroafinidad. A medida que bajamos en un grupo disminuyen el PI y la Ea y por tanto disminuye la electronegatividad. Por el contrario, cuando avanzamos en el periodo tanto el PI como la Ea aumentan, por tanto la electronegatividad aumentará.

Cuanto más a la derecha y más arriba en la Tabla Periódica mayor será la electronegatividad, por ello la electronegatividad más alta corresponde a los no metales.

Valencia iónica La valencia iónica es la valencia que presenta un elemento cuando forma un compuesto iónico. En un compuesto iónico los átomos están en forma iónica y en su conjunto, la sustancia tiene que ser neutra, con lo que la suma de las cargas positivas y negativas debe ser cero, por eso las cargas de los iones y las proporciones de éstos deben estar en consonancia con la regla que hemos dado de neutralidad. Por ejemplo en NaCl, hay un átomo de sodio por cada átomo de cloro, la carga de cada sodio debe ser la de cada átomo de cloro, pero de signo contrario, en concreto, el sodio forma iones Na+ y el cloro iones Cl -, por lo que podemos decir que el electrón que pierde el sodio lo gana el cloro. Por nuestros conocimientos de formulación, sabemos que en ese compuesto la valencia de ambos es 1, la conclusión es evidente: - La valencia iónica coincide en valor absoluto con la carga del ión.Otra cosa distinta es explicar por qué el sodio y el cloro forman esos iones, para ello escribamos las configuraciones de ambos elementos: [Na] = 1s2  2s22p63s1      [Na+] = 1s2  2s22p6 [Cl] = 1s2  2s22p63s23p5     [Cl-] = 1s2  2s22p63s23p6Observamos que  tanto el ión sodio como el ión cloruro adoptan la configuración de un gas noble, el neón para el primero y el argón para el segundo. Podemos decir que la tendencia de un átomo a formar un ión determinado tiene que ver con que el ión tenga una configuración estable y que en muchos casos esta coincide con la del gas noble anterior para los iones positivos y con el gas noble posterior cuando el ión negativo. De todo lo dicho podemos deducir que: -Los elementos de un mismo grupo forman iones con la misma carga. Por ejemplo: los alcalinos +1, los alcalinotérreos +2, los anfígenos -2, los halógenos -1, etc.

Valencia covalenteLa valencia covalente es la valencia con la que actúa  un elemento en un compuesto de tipo covalente. El enlace covalente se forma cuando los dos átomos implicados (elementos no metálicos) comparten electrones. Al compartir electrones los átomos consiguen  mayor estabilidad que cuando están aislados, por tanto buscarán tener la configuración electrónica lo más estable posible, esto es, la de un gas noble. La discusión completa se sale de los objetivos de este capítulo y es mejor reservarla para el capítulo que destinaremos al enlace. En una molécula diatómica la valencia covalente equivale al número de electrones que aporta el átomo para formar el enlace. Tomemos como ejemplo la molécula de SO en la cual, tanto el azufre como el oxígeno  actúan con valencia 2, la configuración de la capa de valencia (la de n más alto) es respectivamente 2s22p4 para el oxígeno y 3s23p4 para el azufre. En ambos casos, si el átomo consigue dos electrones más al compartir llegarían  a la configuración del gas noble inmediato en la Tabla Periódica. Según esto la valencia covalente no sería otra cosa que el número de electrones que debe compartir el átomo para alcanzar la configuración de un gas noble (no se cumple siempre, sobre todo en moléculas poliatómicas, pero esto lo dejaremos para cuando hablemos del enlace covalente).De todo lo dicho podemos deducir que: - Elementos del mismo grupo tendrán la misma valencia covalente fundamental (la más frecuente). - La valencia covalente aumenta en un periodo entre los elementos no metálicos. Así por ejemplo: C(4), N(3), O(2) y F(1).

4.4 Electronegatividad y caracter metalico

La electronegatividad es un concepto químico más que una propiedad de los elementos aunque, por supuesto, el valor de dicha magnitud depende de su comportamiento químico.

La electronegatividad (E_N) mide la mayor o menor atracción -y, por tanto, desplazamiento- que un átomo ejerce sobre el par de electrones de un enlace con otro átomo.

Su valor se determina a partir de una escala. La más utilizada es la de Pauling, en la que, de forma arbitraria, el F tiene E_N 4,0 y el Cs 0,7.

Ésta es la propiedad relevante en relación con la capacidad de combinación de los átomos y el tipo de enlace que forman.

Fíjate en la imagen para deducir cómo evoluciona la E_N. El color rojo indica valores altos de la propiedad, y el amarillo valores bajos. El color gris indica que no hay datos: como los gases nobles no forman enlaces, no se puede determinar E_N para ellos.

Los metales

Son los elementos que tienen tendencia a perder electrones, formando iones positivos. Ese proceso se llama oxidación. Por el contrario, los no metales ganan electrones, reduciéndose.

La mayor parte de los elementos conocidos son metales, y se conocen desde la antigüedad: hierro, cobre, oro, plata, etc.

¿Dónde están los metales en la tabla periódica? En la parte izquierda, mientras que los no metales se encuentran a la derecha. Los gases nobles no tienen carácter metálico o no metálico.

Los elementos son más reactivos cuanto más metálicos o más no metálicos son, ya que entonces tienen más tendencia a transferir electrones, oxidándose en unos casos y reduciéndose en otros.

Fíjate en la violencia de la reacción del litio con agua, formándose hidróxido de litio en disolución y desprendiéndose hidrógeno según indica la ecuación del proceso

2 Li(s) + 2 H₂O → 2 LiOH(aq) + H₂(g)