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Radio atómico

Se define como la mitad de la distancia entre los dos núcleos de los átomos adyacentes.

Como el núcleo tiene carga positiva, atrae hacia sí a los electrones. En cambio los electrones tienden a repelerse entre sí por su carga negativa. La combinación de atracción por el núcleo y repulsión entre los electrones determina el tamaño de los átomos.

En general los radios atómicos de los elementos de grado principal disminuyen de izquierda a derecha al recorrer los renglones de la tabla periódica. El número cuántico de los electrones externos es el mismo en un periodo, y se encuentran en la misma capa. Los electrones que se agregan a la capa externa no protegen muy bien a los otros electrones externos contra la carga positiva del núcleo. Por otro lado, la carga del núcleo aumenta de izquierda a derecha en un renglón de la tabla periódica. Como resultado, los electrones externos son atraídos más fuertemente hacia el núcleo, haciendo que el átomo sea menor.

Al bajar por los grupos principales, los átomos son más grandes. La cantidad de capas de electrones aumenta de arriba hacia abajo en un grupo. Cuanto mayor es el numero cuántico principal de una capa, su radio es más grande. Aunque la carga del núcleo se incrementa al bajar por un grupo, la carga nuclear efectiva, esto es, la carga que sienten los electrones externos, no aumenta tanto. El aumento de tamaño que acompaña a un incremento en el número cuántico principal predomina sobre la carga nuclear efectiva creciente, y el radio atómico crece al bajar por un grupo.

Por lo general, los radios de los metales de transición primero disminuyen y después crecen al recorrer cada serie. Los cambios de radio son pequeños en comparación con los cambios de tamaño de los átomos de los elementos del grupo principal al recorrer un periodo. El poco cambio de tamaño que ocurre a lo largo de una serie de metales de transición se explica porque los electrones se están agregando a una capa interna. Esos electrones internos adicionales protegen a los electrones externos. La carga nuclear efectiva no crece mucho, y tampoco el tamaño decrece mucho.

El tamaño pequeño del átomo de galio se debe al gran aumento de la carga nuclear entre el aluminio y el galio.

Los elementos de transición del sexto periodo (los de la tercera serie de transición) tienen más o menos el mismo tamaño de el de los elementos del quinto periodo de transición. Cada elemento de la tercera serie de transición tiene 32 protones más en su núcleo que el elemento inmediato superior, y no se lleva a cabo el incremento esperado por un aumento en el numero cuántico principal. A este fenómeno se le llama contracción lantánida. Como resultado de la contracción lantánida, los elementos de la segunda y tercera serie de transición de un grupo tienen propiedades muy parecidas, que son distintas de las del miembro del grupo en la primera serie de transición.

Radio iónico

Las cargas y los tamaños de los iones determinan muchas de sus propiedades. Los cationes (iones positivos) son menores de los átomos de los que provienen. Cuando se forman los iones positivos de los elementos principales, se elimina la capa externa de electrones.

Los aniones (iones negativos) son mayores que los átomos de los que provienen. Al agregar electrones a la capa externa se origina más repulsión entre los electrones. Por consiguiente, la nube de electrones se extiende hacia fuera.

Las especies que tienen la misma configuración electrónica se llaman isoelectrónicas.

Todas las propiedades de los átomos que determinan la facilidad de ganar o perder electrones se relacionan con su tamaño. Dos propiedades de ellas son la energía de ionización y la afinidad electrónica.

Energía de ionización

Para hacer que un electrón de un estado energético inferior a otro mayor, se debe suministrar energía. Si hay la suficiente energía, el electrón es expulsado del átomo y se forma un catión con carga +1. La cantidad de energía necesaria para sacar al electrón menos fuertemente ligado de una mol de átomos de gas se llama energía de primera ionización. Para los átomos en estado gaseoso, la energía de primera ionización es igual a la que emplea para enlazar a su electrón menos fuertemente ligado. Como el electrón es atraido por la carga positiva del núcleo, para separarlo de un átomo se requiere energía. La ionización en fase gaseosa siempre es un cambio endotérmico.

Cuanto mayor es la energía de ionización es más difícil quitar el electrón.

Los elementos con la menor energía de primera ionización estan en la esquina inferior izquierda de la tabla periódica. Los que poseen bajas energías de ionización pierden electrones con relativa facilidad y forman cationes. Son metales reactivos.

Los elementos cuya energía de primera ionización es grande están en la esquina superior derecha de la tabla. Son no metales. No pierden electrones con facilidad.

Los elementos del grupo IA (1), los metales alcalinos, tienen las energías de primera ionización más bajas de todos los grupos. El cesio, metal alcalino con el máximo radio atómico, tiene la mínima energía de primera ionización de todos los elementos.

Tendencias a lo largo de los periodos: en general, las energías de primera ionización aumentan al avanzar de izquierda a derecha en los renglones de la tabla. Los electrones externos de los elementos del lado derecho de un renglón en la tabla periódica están más cercanos a una carga positiva mayor. Así, no es de sorprender que se necesita más energía para separarlos.

Elementos de transición: de izquierda a derecha, en un renglón de la tabla periódico, las energías de primera ionización de los elementos de transición no aumentan tan rápidamente como ocurre con los del grupo principal. El electrón adicional se agrega a un orbital d. Los electrones d adicionales protegen a los electrones externos contra la carga positiva del núcleo. La carga efectiva no aumenta con tanta rapidez como la carga nuclear real.

Tendencias en los grupos: la energía de primera ionización disminuye al bajar por un grupo. Al aumentar el número cuántico principal, también se incrementa la distancia promedio del núcleo a los electrones en la capa. Como los electrones externos están más alejados de la carga positiva del núcleo, son atraídos menos fuertemente por él.

Las grandes energías de primera ionización de los elementos en la tercera serie de transición se deben a su gran carga nuclear efectiva. Los átomos de los elementos en la tercera serie de transición tiene mas o menos el mismo tamaño que los de la segunda serie de transición, pero las cargas nucleares de los primeros son 32 unidades mayores. Como resultado, las cargas nucleares efectivas son mayores en los átomos de la tercera serie de transición, y las energías de primera ionización de esos elementos son mayores.

Todos los átomos que no son el hidrógeno tienen más de un electrón. La energía necesaria para separar el segundo electrón menos fuertemente ligado de una mol de cationes gaseosos se llama energía de segunda ionización (EI2).

Se requiere más energía para quitar el segundo electrón que para el primero; las energías de segunda ionización siempre son más grandes que las de primera ionización.

La energía necesaria para quitar el tercer electrón más débilmente enlazado se llama energía de tercera ionización (EI3) Cuanto mayor es la carga positiva en el catión, la atracción entre el catión y el electrón que se retira es mayor y hay menos repulsión entre los electrones. Mientras más grande es la carga positiva en el catión, se requiere más energía para separar un electrón.

La gran diferencia de energía de ionización entre los electrones externos y los internos explica por qué se forma un tipo de cationes con los elementos de los grupos IA y IIA. La energía de los electrones en los orbitales (n – 1) d no es muy distinta de la de los electrones en los orbitales ns. Como resultado, los átomos de los elementos de transición forman con frecuencia más de un tipo de catión, por ejemplo Fe2+ y Fe3+.

El potencial de primera ionización, Ei1, corresponde a la energía necesaria para quitar un electrón de un átomo neutro:

Cu (g) --> Cu+ (g) + e- (g) Ei1= 745 kJ/mol

La segunda energía de ionización, Ei2, es la energía necesaria para arrancar un electrón de un cation monovalente en fase gas:

Cu+ (g) --> Cu2+ (g) + e- (g) Ei2= 1955 kJ/mol

Afinidad electrónica

La afinidad electrónica es el cambio de energía que ocurre cuando un átomo en estado gaseoso acepta un electrón para formar un anión. La ecuación es:

X (g) + e- (g) --> X- (g) Ae= 745 kJ/mol

Los átomos no solo pierden electrones para formar iones positivos, sino que también los ganan para formar iones negativos. La afinidad electrónica es una medida de la tendencia de un átomo a ganar un electrón. Cuantitativamente, la afinidad electrónica se define como la energía requerida para separar un electrón de un anión gaseoso.

Si un elemento no forma un anión estable, su afinidad electrónica es ≤ 0 y no se puede medir.

Mientras mayor es la afinidad electrónica de un elemento, se desprende más energía cuando se agrega un electrón a un átomo del elemento. En general, igual que la energía de ionización, la afinidad electrónica aumenta al ir de izquierda a derecha por un renglón de la tabla periódica. Al avanzar en los periodos, el radio atómico decrece y el electrón que se agregue a la capa externa está más cerca de una capa positiva mayor en los átomos del lado derecho de la tabla periódica. Por consiguiente, se libera más energía cuando se agrega un e-. Sin embargo, los gases nobles tienen poca o ninguna tendencia a ganar un electrón, y como adem