Periodicidad y propiedades periódicas

Elementos químicos. Carga nuclear efectiva. Especies isoelectrónicas. Radio atómico e iónico. Energía de ionización. Electronegatividad. Oxidación

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PERIODICIDAD Y PROPIEDADES PERIÓDICAS

Los elementos se encuentran ordenados en una tabla periódica en orden ascendente del número atómico tomando en cuenta la ley periódica que dice que cada cierto número de elementos las propiedades periódicas se repiten . Los elementos se ordenan en periodos, en forma horizontal, y en grupos en forma vertical.

Los elementos de un mismo grupo poseen propiedades químicas y físicas similares. Esto se debe a que tienen la misma estructura electrónica terminal.

Por ejemplo la configuración electrónica de los elementos del grupo I termina en ns1, la del grupo VI en ns2 np4 .

Los elementos se dividen en tres grandes grupos que son : Representativos, transición y tierras raras. Esta clasificación depende de la posición del electrón diferenciante de cada elemento. Los elementos representativos poseen su electrón diferenciante en los subniveles s y p, los de transición en d y las tierras raras en f

Existen grupos de tres elementos que repiten sus propiedades en forma horizontal. Estos elementos se denominan triadas y son elementos de transición. Las triadas son Fe,Co y Ni ;

Ru, Rh y Pd; Os ,Ir y Pt.

Además los elementos se clasifican como metales y no-metales. Esta clasificación se denota en la tabla periódica con una línea punteada. Los metales son todos elementos sólidos con excepción del mercurio que es líquido. Los no-metales existen en los tres estados de agregación siendo el bromo un líquido. Los elementos a ambos lados de la línea punteada se denominan metaloides ya que poseen propiedades de metales y no-metales, como por ejemplo el Al , Si, Ge y As.

PROPIEDADES PERIÓDICAS

Son propiedades químicas de los elementos que dependen fundamentalmente de la carga nuclear efectiva ( Zefect.). La carga nuclear efectiva es la fuerza con la que el núcleo atrae a los electrones externos. La carga nuclear efectiva depende de la carga nuclear ( Z ) y el efecto de pantalla ( ).

La carga nuclear es igual al número atómico o sea al número de protones en el núcleo del átomo del elemento. El efecto de pantalla depende de los electrones ,de tal forma que a mayor número de electrones mayor es el efecto de pantalla.

La forma de calcular la carga nuclear efectiva es utilizando la siguiente fórmula:

Z efect.= Z- 

Para poder explicar cómo varían las propiedades periódicas de los elementos es importante saber cómo varía la carga nuclear efectiva. Para ello los elementos se estudian en periodos y en grupos separadamente.

Analicemos qué sucede con la carga nuclear efectiva en elementos que pertenecen a un mismo periodo. Para ello utilizaremos al Li y al Ne elementos del segundo periodo

Li

Ne

variación

Carga nuclear (Z)

3

10

7

Efecto de pantalla()

1,72

4,24

2,52

Como se puede observar la variación de la carga nuclear es más del doble que la del efecto de pantalla. Por eso decimos que para analizar la carga nuclear efectiva en elementos que pertenecen a un mismo periodo se desprecia la variación del efecto de pantalla y le damos importancia a la variación de la carga nuclear. De tal forma que al aumentar la carga nuclear aumenta también la carga nuclear efectiva.

Analicemos ahora lo que sucede con elementos de un mismo grupo. Para ello utilizaremos al He y al Ba elementos del grupo II.

He

Ba

variación

Carga nuclear (Z)

2

56

54

Efecto de pantalla()

0,31

48,42

48,11

En este caso podemos observar que la variación de la carga nuclear y el efecto de pantalla son similares, de tal forma que los valores de la carga nuclear efectiva de los elementos de un mismo grupo no aumentan significativamente. Por esta razón despreciamos los valores de carga nuclear efectiva y le damos importancia a la variación del efecto de pantalla. O sea la variación de las propiedades periódicas de elementos de un mismo grupo la explicamos con la variación del efecto de pantalla.

ESPECIES ISOELECTRÓNICAS

Las especies isoelectrónicas son aquellas que poseen el mismo número de electrones y por lo tanto el mismo efecto de pantalla.

La carga nuclear efectiva de estas especies depende sólo de la carga nuclear, ya todas poseen el mismo efecto de pantalla .Por lo tanto a mayor carga nuclear mayor es la carga nuclear efectiva .

Por lo ejemplo un orden de carga nuclear efectiva entre especies isoelectrónicas es:

Ca2+> K1+ > Ar > Cl1- > S2-

Mayor menor

RADIO ATÓMICO

Se define como radio atómico la mitad de la distancia entre dos núcleos de átomos iguales cuando se encuentran uno al lado del otro ( estado sólido)

Elementos de un mismo periodo:

Como se mencionó anteriormente en elementos que se encuentran en mismo periodo el radio atómico depende de la carga nuclear efectiva. Esta depende principalmente de la carga nuclear ya que la variación del efecto de pantalla se desprecia. Si la carga nuclear aumenta la carga nuclear efectiva aumenta también y por lo tanto el radio disminuye ya que aumenta la atracción del núcleo sobre los electrones externos.

Así el radio atómico del 37Rb es mayor que el del 52Te.

Elementos de un mismo grupo:

Antes se mencionó que si los elementos pertenecen a un mismo grupo la variación de la carga nuclear efectiva se desprecia ya que la carga nuclear y el efecto de pantalla aumentan en forma similar y entonces le damos importancia al efecto de pantalla. Al aumentar el efecto de pantalla, en elementos de un mismo grupo, el radio también aumenta , ya que los electrones externos se ubican en niveles más externos de energía o sea más alejados del núcleo.

Así el radio atómico del 83Bi es mayor que el del 6C.

RADIO IÓNICO

Para explicar el radio iónico es necesario comparar el ión con el elemento neutro.

Radio del catión :

Un catión se produce cuando el átomo pierde electrones. Aquí necesitamos analizar que sucede con la carga nuclear efectiva del catión con respecto de la del átomo neutro. El catión posee la misma carga nuclear que el átomo neutro sin embargo al perder electrones disminuye su efecto de pantalla. Al aplicar la fórmula de carga nuclear efectiva al catión el valor resultante es mayor que el del átomo neutro. Por esta razón al ser mayor la carga nuclear efectiva en el catión su radio es menor que el del átomo neutro.

Cuánto mayor número de electrones pierda un átomo menor será su radio iónico.

Un orden de radio iónico sería:

S6+ < S4+ < S2+ < S0

menor mayor

Radio de un anión:

Un anión se produce cuando un átomo neutro acepta electrones. De tal forma que el anión posee la misma carga nuclear que el átomo neutro pero su efecto de pantalla aumenta por lo tanto su carga nuclear efectiva es menor. Al ser menor la carga nuclear efectiva en mayor su radio iónico. Cuanto mayor cantidad de electrones acepte un átomo mayor será su radio iónico.

Un orden de radio iónico sería:

C < C1- < C4-

Menor mayor.

ENERGÍA DE IONIZACIÓN

Se define como la energía necesaria para quitar un electrón de un átomo o de un catión.

Un átomo puede perder varios electrones pero lo hace de uno en uno. La energía necesaria para que un átomo pierda su primer electrón se denomina primera energía de ionización. Para perder el segundo electrón se debe aplicar la segunda energía de ionización y así sucesivamente.

Para analizar la variación que sufre la primera energía de ionización en elementos de un mismo periodo se debe recordar que la carga nuclear efectiva depende ,principalmente, de la carga nuclear, ya que se desprecia la variación del efecto de pantalla. Si la carga nuclear aumenta también aumenta la carga nuclear efectiva y por ende la primera energía de ionización es mayor, ya que al estar más atraído el electrón por el núcleo se requerirá utilizar mayor energía para poder sacarlo del átomo.

Así la primera energía de ionización del 53I es mayor que la del 49In.

Para elementos de un mismo grupo la primera energía de ionización depende del efecto de pantalla ya que se desprecia la variación de la carga nuclear efectiva, pues la carga nuclear y el efecto de pantalla aumentan en forma similar. A mayor efecto de pantalla menor será la energía de ionización ya que el electrón externo se encuentra en un nivel superior de energía y por lo tanto se necesita menos energía para sacarlo del átomo.

Es por esto que la primera energía de ionización del 81Tl es menor que la del 31Ga.

Al comparar las diferentes energías de ionización para un mismo átomo se tiene que la primera es siempre menor que la segunda, ya que en esta se parte de un catión que como vimos anteriormente posee mayor carga nuclear efectiva que el átomo neutro. Al ser la carga nuclear efectiva mayor la energía de ionización también es mayor .

X - 1e- X1+ I Energía de ionización

X1+ - 1e- X2+ II Energía de ionización

Esto explica también porque la tercera energía de ionización es mayor que la segunda y así sucesivamente.

AFINIDAD ELECTRÓNICA

La afinidad electrónica es la energía que se absorbe o se libera cuando un átomo acepta un electrón y se convierte en un anión. Esta energía tiene valores positivos ,cuando la energía es absorbida, o negativos cuando es liberada.

Para elementos de un mismo periodo la afinidad electrónica depende de la carga nuclear efectiva, la cual depende principalmente de la carga nuclear ya que la variación del efecto de pantalla se desprecia. A mayor carga nuclear mayor carga nuclear efectiva y mayor afinidad electrónica.

Por ejemplo el 35Br tiene mayor afinidad electrónica que el 19K.

Para elementos que pertenecen a un mismo grupo la afinidad electrónica depende del efecto de pantalla. La variación de la carga nuclear efectiva se desprecia pues la variación de la carga nuclear y del efecto de pantalla es similar. A mayor efecto de pantalla menor es la afinidad electrónica.

Así la afinidad electrónica del 82Pb es menor que la del 32Ge.

ELECTRONEGATIVIDAD

La electronegatividad es la fuerza con la que el núcleo de un átomo atrae al par de electrones de un enlace covalente.

Para elementos de un mismo periodo la electronegatividad depende de la carga nuclear efectiva, la cual depende principalmente de la carga nuclear ya que la variación del efecto de pantalla se desprecia. A mayor carga nuclear mayor carga nuclear efectiva y mayor electronegatividad.

La electronegatividad del 84Po es mayor que la del 56Ba.

Para elementos de un mismo grupo la electronegatividad depende del efecto de pantalla. La variación de la carga nuclear efectiva se desprecia pues la variación de la carga nuclear y del efecto de pantalla es similar. A mayor efecto de pantalla menor es la electronegatividad.

El 85At posee una electronegatividad menor que la del 17Cl.

En conclusión :

menor radio

mayor I energía de ionización

A mayor carga nuclear efectiva

(para elementos de un mismo mayor afinidad electrónica

periodo) mayor electronegatividad

mayor radio

menor primera energía de ionización

a mayor efecto de pantalla

( para elementos de un mismo menor afinidad electrónica

grupo ) menor electronegatividad

NÚMEROS DE OXIDACIÓN.

Los números de oxidación corresponden a los electrones que un átomo acepta o libera durante una reacción química para lograr una estructura electrónica estable.

Las estructuras electrónicas estables son:

ns2np6 ( gas noble posterior) ; ; ns0np0 ( gas noble anterior); ns2np0 ; ns2np3; ns1np3

POSIBLES NÚMEROS DE OXIDACIÓN DE LOS ELEMENTOS SEGÚN EL GRUPO.

GRUPO

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA EXTERNA

POSIBLES NÚMEROS DE OXIDACIÓN

ESTRUCTURA ESTABLE

I

ns1np0

1+

ns0np0

II

ns2np0

2+

ns0np0

III

ns2np1

1+

ns2np0

3+

ns0np0

IV

ns2np2

2+

ns2np0

4+

ns0np0

1-

ns2np3

4-

ns2np6

V

ns2np3

1+

ns1np3

3+

ns2np0

5+

ns0np0

3-

ns2np6

VI

ns2np4

1+

ns2np3

2+

ns1np3

4+

ns2np0

6+

ns0np0

2-

ns2np6

VII

ns2np5

2+

ns2np3

3+

ns1np3

5+

ns2np0

7+

ns0np0

1-

ns2np6

1