La estructura electrónica de los átomos y la ley periódica. Profesor : Dr. Jilberto Ponce

Con el descubrimiento de nuevos elementos químicos resultaron evidente las semejanzas químicas y físicas entre algunos de ellos. Esto llevó a los químicos a buscar un principio natural que permitiera agrupar los elementos con características similares, numerosos fueron los intentos hasta llegar a lo que se conoce hoy en día como el Sistema o Tabla Periódica de los elementos.

Si ordenamos los elementos de acuerdo a su número atómico creciente encontramos que cada cierto número de elementos aparece uno que es inerte químicamente, como ocurre con el He, Ne, Ar, etc.

Al igual que la inercia química hay otras propiedades que son periódicamente recurrentes. Esto llevó a Mendeleev en Rusia y Lothar Meyer en Alemania a fórmula la ley periódica. Claro que en ese entonces solo se conocía el número másico y no el número atómico, por lo tanto se pensaba que la periodicidad química era función de este número. Posteriormente con el descubrimiento del número atómico por Moseley se pudo confirmar que las propiedades de los elementos son función periódica de su número atómico y no de su número másico. Esto es lo que se conoce en la actualidad como la Ley Periódica.

Como el número atómico indica, en un átomo neutro, el número de electrones, entonces la estructura electrónica del átomo es la que rige el comportamiento físico y químico de los elementos y sus compuestos, es decir elementos con estructura electrónica similares presentaran propiedades semejantes.

Posteriormente los elementos se ordenaron en una disposición geométrica conocida como Sistema Periódico o Tabla Periódica. Una de las cuales se muestra en la diapositiva siguiente y presenta las siguientes características:

1.- Los elementos están ordenados de acuerdo a su número atómico creciente.

2.- Elementos con configuraciones electrónicas similares se encuentran ordenados en columnas verticales formando Grupos o Familias. Estos Grupos se simbolizan mediante un número romano del I al VIII o números árabes y una letra A o B. La letra A es para los grupos principales y la B para los subgrupos.El subgrupo 8 B engloba las triadas de Fe,Co,Ni; Ru, Rh,Pd; Os, Ir, Pt .

Algunos Grupos tienen nombres especiales como el de los metales alcalinos, el de los metales alcalino-terreos, el de los halógenos y el de los gases nobles, otros grupos o subgrupos se nombran con el elemento que encabeza el grupo, como por ejemplo, grupo del boro o el subgrupo del zinc.

3.- Esta ordenación da origen a siete reglones o líneas horizontales que se llaman períodos. Cada uno de ellos, a excepción del primero, comienza con un metal alcalino y termina en un gas noble. El primer periodo lo forman 2 elementos, el segundo y el tercero 8, el cuarto y quinto 18, el sexto 32 y el séptimo que esta incompleto con 23.

En la Tabla Periódica, los elementos también se encuentran agrupados en bloques, de acuerdo con el subnivel de electrones que se esta llenando. El agrupamiento de los elementos en bloques s, p ,d y f se muestra en la siguiente figura:

Clasificación de los elementos de acuerdo al electrón diferencial.

Un elemento se diferencia del elemento inmediatamente anterior por un electrón, este electrón se ubica en un determinado orbital y se denomina electrón diferencial. De acuerdo a esta clasificación tenemos:

•Elementos de transición de serie corta. El electrón diferencial entra en un subnivel d•Elementos representativos. El electrón diferencial entra en un subnivel s o p. •Elementos de transición de las series largas, (elementos de transición interna). El electrón diferencial penetra en un subnivel f.

Propiedades Periódicas.

A continuación analizaremos algunas propiedades que varían regularmente en el Sistema Periódico. En este curso solo analizaremos aquellas de mayor utilidadque nos permitan predecir las propiedades químicas de los diferentes elementos. Las variaciones de estas propiedades dependen de las configuraciones electrónicas, en especial de la capa más externa ocupada o capa de valencia y de su distancia con respecto al núcleo.

a) Radio atómico. El tamaño de un átomo y por lo tanto su radio, si lo consideramos como una esfera depende fundamentalmente del medio que lo rodea. Por lo tanto no podemos decir que el átomo de un elemento tenga un radio constante. El problema se complica por la naturaleza difusa de la nube de electrones que rodea al átomo. El radio atómico podemos definirlo como la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos iguales en un elemento puro (radio metálico), o la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos que se encuentran formando una molécula homonuclear (radio covalente).

En general en un periodo de elementos representativos el radio atómico disminuye de izquierda a derecha, ello se debe a que los electrones van entrando en un mismo nivel energético y el aumento de la carga nuclear efectiva provoca una contracción de la nube electrónica.

En un grupo de elementos representativos en cambio el radio aumenta de arriba hacia abajo, debido principalmente a que el último electrón se incorpora en un nuevo nivel energético

Al analizar la variación de los radios de los diferentes elementos es necesario tener presente que en un átomo los electrones que se encuentran en las capas internas del átomo hacen que la carga nuclear llegue disminuida a los electrones que se encuentran en la periferia, este efecto se conoce como efecto pantalla (S) y la carga real que reciben estos electrones como carga nuclear efectiva ( Zefec).

En general en un periodo de elementos representativos el radio atómico disminuye de izquierda a derecha, ello se debe a que los electrones van entrando en un mismo nivel energético y el aumento de la carga nuclear efectiva provoca una contracción de la nube electrónica.

En un grupo de elementos representativos en cambio el radio aumenta de arriba hacia abajo, debido principalmente a que el último electrón se incorpora en un nuevo nivel energético

Radio atómico disminuye

RadioAumenta

Variación del radio atómico en el Sistema Periódico

DisminuyeAumenta

1 pm= 102 Å

Radios covalentesEn el caso de los elementos de transición, las variaciones de radio

atómico no son tan pronunciadas y tan regulares debido a que los electrones se van ubicando en las orbitales d internas.

b) Radio iónico. El radio iónico es el radio de un catión o de un anión. Cuando un átomo neutro se convierte en un catión o en un anión se produce un cambio en su radio. Un catión siempre será más pequeño que su átomo neutro, dado que al quitar electrones se disminuye la repulsión electrón-electrón, contrayéndose la nube electrónica. Un anión en cambio posee un radio mayor que su átomo neutro, debido a que la incorporación de nuevos electrones incrementa las fuerzas de repulsión, expandiéndose la nube electrónica.

c) Potencial de ionización (I o PI). Corresponde a la energía que se requiere para transformar un átomo neutro y gaseoso en un catión gaseoso.

En un átomo multielectrónico habrá teóricamente tantos PI como electrones posea el átomo, sin embargo para efectos prácticos los PI importantes son los relacionados con los electrones de la capa de valencia.El primer PI corresponde a la energía para remover el electrón más débilmente enlazado al átomo formando un catión de carga +1.

M(g) + Energía → M(g)+ + e

M(g) M+(g) + e 1er PIM+(g) M2+(g) + e 2º PI

Siempre el 2º PI será mayor que el primero y el tercero mayor que el segundo, ya que en estos casos se requiere quitar un electrón a un átomo que esta cargado positivamente.

Mg(g) Mg+(g) + e- I1 = 738 kJMg+(g) Mg2+(g) + e- I2 = 1451 kJ

En un período de elementos representativos el PI en general aumenta de izquierda a derecha, ya que en ese mismo sentido disminuye el radio atómico y aumenta la carga nuclear. Mientras más pequeño sea un átomo y mayor su carga nuclear más difícil será quitarle un electrón.

En un grupo el PI disminuye de arriba hacia abajo, ya que en ese mismo sentido aumenta el radio atómico.

11Na: 1s22s22p63s111Na+: 1s22s22p6

13Al: 1s22s22p63s23px1

13Al3+: 1s22s22p63s2

d) Electronegatividad (EN). La electronegatividad mide la tendencia relativa de un átomo a atraer electrones hacia si cuando se combina químicamente con otro átomo. Las EN se expresan en una escala arbitraria llamada escala Pauling. En esta escala el fluor tiene la electronegatividad más alta (4), esto indica que cuando el fluor esta enlazado químicamente a otro elemento, atrae hacia si la densidad electrónica.

Para los elementos representativos la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en un periodo y disminuye de arriba hacia abajo dentro de un grupo. Aunque esta escala es un tanto arbitraria ella esta relacionada con medidas experimentales y por lo tanto puede emplearse para predecir el tipo de enlace que forman los elementos, con bastante exactitud.

A

UM

E

N

T

A

A U M E N T A

A

U

M

E

N

T

A

A U M E N T A