Cronología histórica de la tabla periódica:

La semejanza de las propiedades físicas y químicas de ciertos elementos sugirió a los científicos del siglo XIXla posibilidad de ordenarlos sistemáticamente o agruparlos de a acuerdo con determinado criterio.

En 1817 Döbereiner observó que, por afinidad de sus propiedades químicas, muchos elementos podían seragrupados de a tres (tríadas). Así ocurría, por ejemplo, con el Litio, el Sodio y el Potasio. Verificó entoncesque el peso atómico del elemento central de la tríada podía ser obtenido, aproximadamente, promediando el delos otros dos:

A (Li) = 6.939

A (Na) = 22.989 A(Li) + A(K)/2=

A (K) = 39.102

= (6.939 + 39.102)/2= 23 " A(Na)

Del mismo modo, el peso atómico del estroncio resulta ser aproximadamente igual al promedio de las masasatómicas del calcio y del bario. Estos tres elementos poseen propiedades semejantes.

La importancia del trabajo de Döbereiner radica en que fue el 1° intento de clasificación de los elementos. Ensu época eran muy pocos los elementos conocidos y los valores de los pesos atómicos todavía estaban endiscusión.

Hacia 1860, el conocimiento de mayor número de elementos motivó nuevas propuestas de clasificación. En1864 el químico inglés Newlands intentó ordenar los elementos, de acuerdo con su peso atómico crecienteobservando que, después de cada intervalo de siete reaparecían las mismas propiedades químicas (es decir queel octavo elemento tenía propiedades similares a las del primero). Por su analogía con la escala musical, laclasificación fue llamada ley de las octavas.

En las columnas que resultan de la clasificación de Newlands se observa la presencia de los elementospertenecientes a una misma tríada (por ejemplo, Li, Na y K).

Se deduce que a partir del Li, el elemento de número de orden igual a 8 es el Na que tiene propiedadessimilares. lo mismo ocurre con el Be (berilio), que presenta propiedades químicas similares al Mg (magnesio);con el B (boro) y el Al (aluminio), y así sucesivamente.

Si bien el trabajo de Newlands fue incompleto, resultó de importancia, ya que puso en evidencia la estrecharelación existente entre los pesos atómicos de los elementos y sus propiedades físicas y químicas.

Tabla periódica de Mendeleiev:

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En el año 1869, el genial químico ruso Dimitri Mendeleiev se propuso hallar una ley de la naturaleza, válidapara toda clasificación sistemática de los elementos.

Clasificó todos los elementos conocidos en su época en orden creciente de sus pesos atómicos, estableciendouna relación entre ellos y sus propiedades químicas.

Independientemente, el alemán Lothar Meyer propuso una clasificación de los elementos relacionando lospesos atómicos con las propiedades físicas, tales como el punto de fusión, de ebullición, etc.

En su clasificación, Mendeleiev no consideró el hidrogeno porque sus propiedades no coincidían con las deotros elementos. Tampoco figuran en ella los gases nobles, porque no habían sido descubiertos aun.

La ley periódica de Mendeleiev puede ser enunciada del siguiente modo:

Los elementos están reunidos en grupos y períodos.

GRUPOS:

Los elementos están encolumnados en grupos. Aquellos que pertenecen a un mismo grupo (a excepción de losdel grupo VIII) presentan propiedades químicas similares. Por ejemplo los elementos del primer grupo−Li(litio), Na (sodio), K (potasio), Rb (rubidio) y Cs (cesio)− constituyen la familia de los metales alcalinos, conpropiedades análogas: son blandos y livianos; tienen carácter fuertemente metálico; son buenos conductoresdel calor y de la electricidad; se oxidan con facilidad.

Los elementos del grupo II− Be (berilio), Mg (magnesio), Ca (calcio), Sr (estroncio) y Ba (bario)− constituyenla familia de los alcalino− térreos.

Los del séptimo grupo− F (flúor), Cl (cloro), Br (bromo), I (yodo)− constituyen la familia de los halógenos.Se caracterizan por tener carácter no metálico.

Cada uno de los 7 primeros grupos se divide a su vez en dos subgrupos, llamados A y B, de acuerdo con lasimilitud química de los elementos. Por ejemplo en el grupo I están ubicados Li (litio), Na (sodio), K(potasio), Cu (cobre), Ag (plata), y Cs (cesio) por tener propiedades comunes (carácter metálico, por ejemplo).Pro el cobre, la plata y el oro presentan algunas propiedades específicas, como la alta conductividad eléctrica,que no poseen los demás elementos del mismo grupo. Por lo tanto, el Li, Na, K, Cu, Ag, Cs y Rb constituyenel subgrupo A, mientras que el Cu, Ag y Au pertenecen al subgrupo B.

El grupo VIII incluye diversos elementos − hierro, cobalto, níquel− cuyas propiedades no se corresponden conlas de los otros. La ubicación de estos elementos no resultó satisfactoria.

I

A B

II

A B

III

A B

IV

A B

V

A B

VI

A B

VII

A BVIII

1 H

Fe Co Ni

Ru Rh Pd

Os Ir Pt

2 Li Be B C N O F

3 Na Mg Al Si P S Cl

4

K Ca (1) Ti V Cr Mn

Cu Zn (2) (3) As Se Br

5 Rb Sr Y Zr Nb Mo

Ag Cd In Sn Sb Te I

2

6 Cs Ba La Ta W

Au Hg Ti Pb Bi

7 Th U

(1) Eka−Boro (2) Eka− Aluminio (3)Eka−Silicio

Tabla modificada de Mendeleiev.

GRUPOS

PERÍODOS

PERÍODOS:

Cada una de las filas horizontales constituye un período. Los elementos que pertenecen a un mismo período secaracterizan porque sus propiedades físicas y químicas varían gradualmente: el primer elemento presentacarácter metálico, pero a medida que avanza horizontalmente el carácter metálico disminuye y aparece el nometálico, siendo el último elemento netamente no metálico.

Mendeleiev tuvo que dejar espacios vacíos para colocar los elementos en sus correspondientes grupos. Sugirióque los espacios vacíos debían estar ocupados por elementos no conocidos hasta ese momento, cuyaspropiedades se podían predecir por su ubicación en la tabla.

Así, por ejemplo Mendeleiev predijo las propiedades de un elemento desconocido, al que llamó eka−silicio(germanio); predijo las propiedades del galio (eka−aluminio)y las propiedades del escandio (eka−boro).

Eka−silicio Germanio

Peso atómico

Densidad

Color

Formación del óxido

Formación del cloruro

72

5.5

gris oscuro

Es O2

Es Cl4

72.6

5.47

blanco grisáceo

Ge O2

Ge Cl4

Eka−alumino Galio

Peso atómico

Densidad

Punto de fusión

68

5.9

bajo

69.72

5.94

30.15°C

Además, Mendeleiev alteró el ordenamiento horizontal de algunos elementos en orden creciente de sus pesosatómicos, para respetar las propiedades químicas dentro de los grupos. Por ejemplo: colocó al telurio (masaatómica 127.60) antes que el yodo (masa atómica 126.9044). De esta manera el yodo quedaba ubicado en elmismo grupo el flúor, el cloro y el bromo, cuyas propiedades son análogas.

TIPOS DE TABLA

Cada autor siente la tentación de dibujar una tabla donde, según él, se manejan mejor los conceptos de

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periodicidad química

Las tablas más importantes, y que detallaremos son las que comúnmente se conocen como;

Tabla Corta

Tabla Larga

Tabla Larga extendida

La tabla corta es una derivación directa de la propuesta original de Mendeleiev−Meyer; se le fueronintroduciendo modificaciones a medida que se avanzaba en el tiempo y en el conocimiento; ya se advierte lapresencia de un grupo vertical más; el grupo gases nobles, desconocidos por Mendeleiev. El uso de este tipode tabla corta ha desaparecido en la actualidad.

Ver gráfica

La tabla Larga es una modificación muy útil, suele ser conocida como tabla de Both. Se construye de talforma que refleja la teoría de Both sobre la distribución electrónica. En las verticales se encuentran loselementos cuya distribución electrónica final es coincidente, en esencia la tabla larga deriva de la original deMendeleiev, extendiendo los períodos largos (cuarto, quinto y sexto) y cortando en dos los períodos cortospara acomodar en el medio a las series de los elementos de transición. Así se generan períodos largos perosolo a partir del cuarto período.

El sistema más antiguo, pero que puede encontrarse en varios autores es el que se muestra, tomado deCartmell−Fowles;

Se da el nombre Grupo A a los ocho primeros de izquierda a derecha se nomencla así a los elementosdenominados representativos y como Grupo B a los de transición.

Otro sistema propuesto por Pierce observece la posición que se establece para el Hidrógeno y el Helio y lasacotaciones en cuanto a similitud electrónica y de propiedades; son colocados abajo los 18 grupos deelementos.

Ver gráfica.

La Tabla Larga Extendida es la representación más moderna, el inconveniente es que los gráficos se hacenmuy extensos, la misma sigue al recorrerla por número atómico creciente el llenado de órbitas propuesto porBorth; posee 32 columnas y el primer periodo tiene 2 elementos, el segundo y tercero tienen 8, el cuarto yquinto tienen 18 elementos, el sexto período 32 elementos y el séptimo hasta el momento se agota con 106elementos.

Ver gráfica.

Aplicación de la ecuación de Schrüdinger al átomo de hidrógeno

Para ver cómo cambió la mecánica cuántica la visión del átomo, se analizará el átomo más sencillo, el dehidrógeno, con un protón y un electrón. Cuando se resuelve la ecuación de Schrodinger para el átomo dehidrógeno, proporciona dos tipos de valiosa información: especifica los posibles estados energéticos que elelectrón puede ocupar e identifica las correspondientes funciones de onda (�) del electrón asociadas con cadaestado energético. Estos estados energéticos y funciones de onda se caracterizan por un conjunto de números.Recuérdese que la probabilidad de encontrar un electrón en una región está dada por el cuadrado de la función

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de onda, �. Por lo cual, una vez que se conocen los valores de � y las energías, se puede calcular � yconstruir una visión completa del átomo de hidrógeno.

Esta información acerca del átomo de hidrógeno es útil pero no suficiente. El mundo de las sustanciasquímicas y de las reacciones implica sistemas considerablemente más complejos que el sencillo átomo dehidrógeno. Sin embargo, resulta que la ecuación de Schrodinger no se puede resolver con exactitud paraátomos que tengan más de un electrón. Aun en el caso del helio, que sólo tiene dos electrones, las matemáticasresultan demasiado complejas para ser manejadas. Parecería, por lo tanto, que la ecuación de Schrodingersufre de las mismas limitaciones que la teoría atómica original de Bohr (en la práctica sólo se puede aplicar alátomo de hidrógeno). A pesar de todo, la situación no es desesperada. Los químicos y los físicos hanaprendido a darle la vuelta a este tipo de dificultades utilizando métodos de aproximación. Por ejemplo, apesar de que el comportamiento de los electrones en átomos polielectrónicos (esto es, átomos que contienendos o más electrones), no es el mismo que en el átomo de hidrógeno. Se supone que la diferenciaprobablemente no sea demasiado grande. Basándose en esta suposición, se pueden usar las energías y lasfunciones de onda obtenidas para el átomo de hidrógeno como una buena aproximación del comportamientode los electrones en átomos más complejos. De hecho, se ha encontrado que este enfoque proporciona unabuena descripción del comportamiento de los electrones con átomos complejos.

Dado que el átomo de hidrógeno sirve como punto de partida o modelo para todos los otros átomos, senecesita una idea clara de la descripción mecánica cuántica de este sistema. La solución de la ecuación deSchrodinger muestra que las energías que un electrón puede poseer en el átomo de hidrógeno están dadas porla misma expresión obtenida por Bohr. Ambas teorías, la de Bohr y la de la mecánica cuántica, por tanto,muestran que la energía de un electrón en el átomo de hidrógeno está cuantizada. Difieren, sin embargo, en ladescripción del comportamiento de los electrones con respecto al núcleo.

Como el electrón no tiene una posición bien definida en el átomo, se encuentra conveniente utilizar términoscomo densidad electrónica, nube de carga electrónica o simplemente nube de carga para representar elconcepto de probabilidad (estos términos tienen en esencia el mismo significado). Básicamente, la densidadelectrónica proporciona la probabilidad de que un electrón se encuentre en una región particular en un átomo.Las regiones con alta densidad electrónica representan una probabilidad alta de localizar al electrón, mientrasque lo contrario es válido para regiones de baja densidad electrónica.

Para distinguir la descripción mecánico−cuántica del modelo de Bohr, se reemplaza "órbita" con el términoorbital u orbital atómico. Un orbital se puede pensar como la función de onda (�) de un electrón. El cuadradode la función de onda � define la distribución de la densidad electrónica en el espacio alrededor del núcleo.Cuando se dice que un electrón está en cierto orbital, se quiere decir que la distribución de la densidadelectrónica o la probabilidad de localizar al electrón en el espacio está descrita por el cuadrado de la funciónde onda asociada con ese orbital. Un orbital atómico en consecuencia tiene una energía característica, asícomo una distribución característica de la densidad electrónica.

NÚMEROS CUÁNTICOS:

La mecánica cuántica establece que se requieren tres números cuánticos para describir la distribución de loselectrones en el hidrogeno. Estos números se derivan de la solución matemática de la ecuación de Schrodingerpara el átomo de H. Se denomina número cuántico principal, número cuántico de momento angular y númerocuántico magnético. Estos números cuánticos se usaran para describir orbitales atómicos y para identificar loselectrones que se ubican en ellos. Un 4° número cuántico que describe el comportamiento de un electrón enespecífico (el n° cuántico espin) completa la descripción de los electrones en los átomos.

Número cuántico principal n:

Caracteriza al nivel energético correspondiente y delimita la región donde pueden hallarse con mayor

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probabilidad los electrones. El número n puede tomar valores enteros: 1, 2, 3, .........infinito.

Esto indica, que teóricamente, podemos tener infinitos niveles de energía. El nivel de energía mínima lecorresponde al número cuántico 1, sigue el 2, etc.

Número cuántico azimutal o secundario l:

El número cuántico de momento angular (l), indica la forma de los orbitales. Los valores de l dependen delvalor del número cuántico principal, n. Para un valor dado de n, l tiene todos los valores enteros posibles de 0a (n−1). Si n = 1, hay un solo valor de l, esto es l = n−1 = 1−1 = 0. Si n = 2, hay dos valores de l dados por 0 y1. Si n = 3, hay tres valores de l, dados por 0, 1 y 2. El valor de l en general se designa por las letras s, p, d,...como sigue:

L 0 1 2 3 4 5

Nombre del orbital S p d f g h

Así, si l = 0, se tiene un orbital s, si l= 1, se tiene un orbital p y así sucesivamente.

La secuencia peculiar de las letras (s, p, d, f) tienen un origen histórico. Los físicos que estudiaron losespectros de emisión atómica trataron de relacionar las líneas del espectro observadas con los estados deenergía específicos implicados en las transiciones. Notaron que algunas de las líneas eran agudas (sharp eninglés), algunas eran dispersas o difusas, y algunas eran muy fuertes y se referían a ellas como principales.Subsecuentemente, asignaron las letras iniciales de cada adjetivo a aquellos estados de energía. Sin embargo,después de la letra d la designación del orbital sigue un orden alfabético, empezando con la letra f.

Un conjunto de orbitales con el mismo n a menudo recibe el nombre de capa (o nivel). Uno o más orbitalescon los mismos valores de n y l se llaman subcapa (o nivel). Por ejemplo, con n = 2 está compuesta por dossubcapas, l= 0 y l = 1. Estas subcapas se llaman 2s y 2p.

Número cuántico magnético ml:

El número cuántico magnético, ml, describe la orientación del orbital en el espacio. Dentro de una subcapa, elvalor de ml depende del valor del número cuántico de momento angular, l. Para cierto valor de l hay (2l + 1)valores enteros de ml como sigue:

−l, (−l+1), ......0, ..........(+l−1), + l

Si l = 0, entonces ml = 0. Si l = 1, entonces hay [(2*1) + 1] o sea, tres valores de ml es decir −1, 0 y 1. Si l = 2,entonces hay [(2*2) + 1] cinco valores de ml −2, −1, 0, 1 y 2. El número de valores de ml indica el número deorbitales de una subcapa con un valor específico de l.

El número cuántico de espín −electrónico (ms)

Los experimentos con los espectros de emisión de los átomos de hidrógeno y de sodio indican la necesidad deun cuarto número para describir al electrón en un átomo. Los experimentos muestran que las líneas deespectro de emisión se pueden desdoblar mediante la aplicación de un campo magnético externo. La únicaforma en que los físicos pudieron explicar estos resultados fue considerando que los electrones actúan comopequeños imanes. Si se piensa que los electrones giran sobre su propio eje, como lo hace la tierra, se puedenexplicar sus propiedades magnéticas. De acuerdo con la teoría electromagnética, una carga que gira genera uncampo magnético, y es este movimiento lo que hace que el electrón se comporte como un imán. Para tomar elespín del electrón en consideración, es necesario introducir un cuarto número cuántico, llamado númerocuántico de espín electrónico (ms), el cual tiene valores de +1/2 y −1/2. Estos valores corresponden a los dos

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posibles movimientos de giro del electrón.

ORBITALES ATÓMICOS:

Los números cuánticos permiten analizar con mayor profundidad los orbitales atómicos de los átomos dehidrógeno, de helio, y de átomos polieléctricos. La siguiente tabla muestra la relación entre los númeroscuánticos y los orbitales atómicos:

n l ml Núm. De orbitalesDesignación de losorbitales atómicos.

1

2

3

.

.

.

.

.

0

0

1

0

1

2

.

.

.

0

0

−1, 0, 1

0

−1, 0, 1

−2, −1, 0, 1, 2

.

.

.

1

1

3

1

3

5

.

.

.

1s

2s

2px, 2py, 2pz

3s

3px, 3py, 3pz

3dxy, 3dyz, 3dxz,3dx2−y2, 3dz2

.

.

.

Se ve que cuando l = 0, (2l+1) =1 hay un solo valor de ml y entonces se tiene un orbital s. Se ve que cuando l= 1, (2l+1) =3 hay tres valores de ml o hay tres orbitales p, llamados px, py y pz. Cuando l = 2, (2l+1) =5 y loscorrespondientes cinco orbitales d se identifican con subíndices más elaborados.

Orbitales s: un orbital no tiene la forma bien definida porque la función de onda que caracteriza al orbital seextiende desde el núcleo hasta el infinito. En este sentido es difícil decir cómo se ve un orbital.

Aunque en un principio un electrón se puede encontrar en cualquier lugar, se sabe que la mayor parte deltiempo está muy cerca del núcleo.

Todos los orbitales s tienen forma esférica pero difieren en tamaño, el cual aumenta al aumentar el númerocuántico principal.

Orbitales p: debe quedar claro que los orbitales p comienzan con el número cuántico principal n= 2. Si n = 1entonces el número cuántico de momento angular l, puede asumir solo el valor de 0; en consecuencia, haysólo un orbital 1s. Cuando l = 1 el número cuántico magnético ml puede tener valores de −1, 0, 1. Empezandocon n = 2 y l = 1, se tendrán por lo tanto tres orbitales 2p: 2px,2py y 2pz. La letra del subíndice indica el eje alo largo del cual se encuentra orientado el orbital. Estos tres orbitales son idénticos en tamaño, forma, yenergía; difieren entre sí sólo en su orientación. Cada orbital p se puede imaginar como dos lóbulos, el núcleoestá en el centro del orbital p. Al igual que en los orbitales s, los orbitales p aumentan en tamaño de 2p a 3p a4p y así sucesivamente.

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Orbitales d y otros orbitales de mayor energía: cuando l = 2 hay 5 valores de ml que corresponden a 5orbitales de d. El valor mínimo de n para un orbital d es 3. Debido a que l nunca puede mayor que n−1,cuando n = 3 y l = 2, se tienen los 5 orbitales 3d (3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2−y2, 3dz2). Las diferentesorientaciones de los orbitales d corresponden a los diferentes valores de ml pero nuevamente no hay unacorrespondencia directa entre una orientación dada y una valor de ml. Todos los orbitales 3d de un átomo sonidénticos en energía. Los orbitales d para los cuales n es mayor que 3 (4d, 5d,.....) tienen formas similares.

Los orbitales f son importantes para explicar el comportamiento de elementos con número atómico mayor de57 a pesar de que sus formas son difíciles de representar.

Diagrama de contorno de los tres orbitales 2p. Estos orbitales son idénticos en su forma y energía.

Diagrama de contorno de los cinco orbitales 3d.

La energía de los orbitales:

A pesar de las dificultades teóricas que Bohr experimentó al ampliar la utilidad de su modelo del átomo, sunoción fundamental sobre niveles de energía de los electrones se ha mantenido e incorporado a los conceptosde la mecánica cuántica.

La energía de un electrón en un átomo de hidrogeno está determinada sólo por su número cuántico principal.Así, las energías de los orbitales del hidrógeno aumentan como sigue:

1s< 2s = 2p< 3s = 3p = 3d< 4s = 4p = 4d = 4f< ...

a pesar de que la distribución de densidad electrónica es diferente en los orbitales 2s y 2p, los electrones delhidrógeno tienen la misma energía ya sea en los orbitales 2s o en el 2p. Se dice que los orbitales que tienen lamisma energía están degenerados. El orbital 1s en un átomo de hidrógeno corresponde a la condición demáxima estabilidad y se llama estado fundamental; un electrón que se ubique en este orbital será el másfuertemente atraído por el núcleo. Un electrón en 2s, 2p u otros orbitales superiores en un átomo de hidrogenoestará en un estado excitado.

El diagrama energético es diferente para átomos polielectrónicos. La energía de un electrón de un átomopolielectrónicos, a diferencia del átomo de hidrogeno, depende no solo de su número cuántico principal sinotambién de su número cuántico de momento angular. En un átomo polielectrónicos, el subnivel 3d está muycerca del subnivel energético 4s. La energía total de un átomo depende no solo de la suma de las energías delos orbitales sino también de la energía de repulsión electrónica en estos orbitales. Resulta que la energía totalde un átomo es menor cuando se llena la subcapa 4s antes que la 3d.

El orden de llenado de los subniveles atómicos en átomo polielectrónico. Se empieza con el orbital 1s y secontinúa hacia abajo siguiendo la dirección de las flechas. Así el orden es el siguiente: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d ..

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA:

Para entender el comportamiento electrónico de átomos polielectrónicos, se debe conocer primero laconfiguración electrónica del átomo.

La configuración electrónica de un átomo informa cómo están distribuidos los electrones entre los diversosorbitales atómicos.

El electrón en su estado fundamental del átomo de hidrogeno debe estar en el orbital 1s, por lo que suconfiguración electrónica es 1s1:

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La configuración electrónica también se puede representar por un diagrama de orbital que muestra el espín delelectrón:

La configuración electrónica también se puede representar por un diagrama de orbital que muestra el espín delelectrón:

Donde la flecha hacia arriba indica uno de los dos posibles movimientos de giro del electrón. La cajarepresenta un orbital atómico.

EL PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI:

La configuración electrónica de átomos formados por más de un electrón se construye por el principio dePauli. El mismo establece que dos electrones en un átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos. Sidos electrones en un átomo deben tener los mismos valores de n, l y ml (es decir estos dos electrones están enel mismo orbital atómico), entonces deben tener diferentes valores de ms. Enunciando de otra forma elprincipio: sólo dos electrones pueden existir en el mismo orbital atómico, y estos electrones deben tenerespines opuestos. Consideremos el átomo de helio que tiene dos electrones; las tres posibles maneras decolocar los dos electrones en el orbital 1s son:

Los diagramas a) y b) están prohibidos por el principio de exclusión de Pauli. En el diagrama a), amboselectrones tienen el espín hacia arriba y tendrán los mismos números cuánticos (1, 0, 0, +1/2); en el b) amboselectrones tienen el espín hacia abajo y tendrán los números cuánticos (1, 0, 0, −1/2). Sólo la configuración c)es físicamente aceptable, porque un electrón tienen los números cuánticos (1, 0, 0, +1/2) y el otro tienen (1, 0,0, −1/2). Así es que el átomo de helio tiene la siguiente configuración:

DIAMAGNETISMO Y PARAMAGNETISMO:

El principio de exclusión de Pauli es uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Se puedecomprobar con una simple observación. Si dos electrones en el orbital 1s de un átomo de helio tienen elmismo espín, o son paralelos ( o ), sus campos magnéticos se reforzaran uno con otro. Tal distribución haríadel helio un átomo paramagnético. Las sustancias paramagneticas son aquellas que son atraídas por un imán.Por otro lado, si los espines de los electrones están apareados o son antiparalelos entre sí ( o ) , los efectosmagnéticos se cancelan y los átomos son diamagnéticos. Las sustancias diamagnéticas son aquellas que sonrepelidas por un imán.

En forma experimental se encuentra que el átomo de helio es diamagnético en su estado fundamental, enconcordancia con el principio de exclusión de Pauli. Una regla general útil para tener en mente es quecualquier átomo con un número impar de electrones debe ser paramagnético, porque se necesita un númeropar de electrones para completar el apareamiento. Por otro lado, los átomos que tienen un número par deelectrones pueden ser tanto diamagnéticos o paramagnéticos.

Como otro ejemplo se considerará el átomo de litio, que tiene tres electrones. El 3° electrón no puede estar enel electrón 1s porque inevitablemente tendría los 4 números cuánticos iguales al de uno de los dos primeroselectrones. En consecuencia, este electrón entra en el siguiente orbital (energéticamente accesible), que es elorbital 2s.

Reglas generales para asignar electrones a orbitales atómicos:

Es posible formular algunas reglas generales para determinar el máximo número de electrones que se puedenasignar a los diversos subniveles y orbitales para un valor dado de n.

Cada capa o nivel principal de número cuántico n tiene n subniveles. Por ejemplo si n = 2, hay dos•

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subniveles (los dos valores de l) de números cuánticos de momento angular 0 y 1.Cada subnivel de número cuántico l tiene 2l + 1 orbitales. Por ejemplo si l = 1, hay tres orbitales p.• No se pueden colocar más de dos electrones en cada orbital. En consecuencia, el máximo número deelectrones es simplemente el doble del número de orbitales que se emplean.

•

Clasificación periódica de los elementos

La figura que se muestra a continuación muestra la tabla periódica junto con la configuración electrónica delos electrones más externos de los elementos en su estado fundamental.

De acuerdo con el tipo de subnivel que ha sido llenado, los elementos se pueden dividir en categorías: loselementos representativos, los gases nobles, los elementos de transición (o metales de transición), loslantanoides y los actinoides. Con referencia a la figura, los elementos representativos (también llamadoselementos de los grupos principales) son los elementos de los grupos 1A a 7A, todos los cuales tienenincompletos los subniveles s o p del máximo número cuántico principal Con excepción del helio, los gasesnobles (de los elementos del grupo 8A) todos tienen el mismo subnivel p completo. (Las configuracioneselectrónicas son ls2 para el helio y ns2np6 para los otros gases nobles, donde n es el número cuánticoprincipal de la capa o nivel más externo.) Los metales de transición son los elementos de los grupos 1B y del3B hasta el 8B, los cuales tienen capas d incompletas, o fácilmente forman cationes con subniveles dincompletos. (Algunas veces se hace referencia a estos metales como los elementos transicionales del bloqued.) Los elementos del grupo 2B son Zn, Cd y Hg, los cuales ni son representativos ni son metalestransicionales. A los lantánidos y actínidos algunas veces se les llama elementos de transición interna delbloque f porque tienen subniveles f incompletos.

La figura siguiente diferencia los grupos de elementos analizados aquí.

Resulta un modelo claro cuando se examinan las configuraciones electrónicas de los elementos de un grupoespecífico. Primero se analizarán los elementos representativos. Se observa que todos los miembros del grupolA, metales alcalinos, tienen configuraciones electrónicas externas similares; todos tienen kernel de gas nobley una configuración nsl para el electrón más externo. En forma similar, metales alcalinotérreos del grupo 2Atienen kernel de gas noble y una configuración nS2 para los dos electrones más externos. Los electrones másexternos de un átomo, que son los implicados en el enlace químico, comúnmente reciben el nombre deelectrones de Valencia. La similitud de las configuraciones electrónicas externas (esto es, que tengan elmismo número de electrones de valencia) es lo que los hace parecidos a los elementos de un grupo entre sí ensu comportamiento químico. Esta observación es válida para el resto de los elementos representativos. Porejemplo, los halógenos (el grupo 7A), todos con la configuración electrónica externa nS2np5, tienenpropiedades muy similares como grupo. Es necesario, sin embargo, ser cauteloso al predecir propiedadescuando los elementos cambian de no metales a metaloides o metales. Por ejemplo, los elementos del grupo 4Atienen todos la misma configuración externa, nS2np2, pero hay mucha diversidad en cuanto a las propiedadesquímicas de estos elementos; el carbono es un no metal, el silicio y el germanio son metaloides, y el estaño yel plomo son metales.

Como grupo, los gases nobles se comportan de modo muy similar. Con excepción del kriptón y el xenón, elresto de estos elementos son totalmente inertes desde el punto de vista químico. La razón radica en que estoselementos tienen completamente llenos los subniveles externos ns y np, condición que implica una granestabilidad. A pesar de que la configuración electrónica externa de los metales transicionales no es siempre lamisma dentro de un grupo, y no hay un modelo regular en el cambio de la configuración electrónica de unmetal hacia el siguiente en el mismo periodo, todos los metales transicionales comparten muchascaracterísticas que los colocan aparte de otros elementos. Esto es porque todos estos metales tienen el subniveld incompleto. Asimismo, los elementos lantánidos (y actínidos) se parecen entre sí dentro de cada serieporque tienen el subnivel f incompleto.

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METALES Y NO METALES:

Los metales son aquellos elementos que tienden a donar electrones, es decir, a convertirse en cationes. Losno metales son aquellos elementos que tienen fuerte tendencia a aceptar electrones, es decir, a convertirse enaniones.

Propiedades físicas características de los metales:

Los metales tienen una serie de propiedades físicas características:

Los metales tienen brillo; las superficies brillantes del oro, plata, níquel y cobre son ejemplos familiares deesta propiedad.

•

Son maleables, capaces de ser martillados hasta hojas muy delgadas o láminas. El metal más maleable es eloro, el cual ha sido batido en láminas tan delgadas que poniendo 300,000 de ellas, una sobre otra, suespesor apenas llega a ser de unos 2.5 cm.

•

Son dúctiles, capaces de ser estirados en alambre. El platino, por ejemplo, se puede convertir en un alambretan fino que no se puede ver a simple vista.

•

Son buenos conductores del calor. Su conductividad calorífica decrece a medida que su temperaturaaumenta.

•

Son buenos conductores de la electricidad. La plata tiene la más alta conductividad eléctrica, entre losmetales, pero suele utilizarse el cobre debido a su menor costo. La conductividad eléctrica tambiéndisminuye al aumentar la temperatura.

•

Los metales en lo particular quizá no posean todas estas propiedades. Estas son, sin embargo, las propiedadesgenerales del estado metálico, y un metal perfecto las tendrá todas.

Los metales tienen propiedades físicas muy diferentes. Todos con excepción del mercurio, son sólidos a latemperatura ambiente. Sus puntos de fusión varían ampliamente. Difieren mucho en su resistencia a latensión, esto es, la facilidad con que se parten en dos al estirarlos.

Propiedades químicas características de un metal:

Los metales también tienen propiedades químicas características, la más señalada es la tendencia a perderelectrones y formar cationes, en tanto que su segunda propiedad principal es la formación de óxidos novolátiles, que son anhídridos básicos. También:

Muchos, pero no todos los metales, tienen valores de E0 superiores a 0 voltios. Tales metales, por tanto,desplazarán teoricamente al hidrogeno gaseoso de las soluciones ácidas. Por ejemplo para el cobalto: E0Co/Co+2 = 0.28 voltios. Por tanto en teoría:

•

Co (s) + 2H3O +1 (1M) = Co+2 (aq) + H2 (g) + 2H2O

Los metales que tienen valores de E0 mayores de 0.41 voltios teóricamente deben liberar hidrógenogaseoso del agua pura. El estroncio (E0 Sr/Sr+2 = +2.89 voltios), por ejemplo, lo hace así:

•

Sr (s) + 2H2O (l) = H2 (g) + Sr+2 (aq) + 2OH−1 (aq).

Algunos metales liberan hidrogeno gaseosos en solución fuertemente alcalina formando iones complejos conlos iones oxhidrilo. El cinc, por ejemplo, se comporta de esta manera:

Zn (s) + 2OH−1 (aq) + 2H2O (l) = H2 (g) + Zn(OH)4−2 (aq).

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Ion tetrahidroxicincato (II)

Ciertos metales reducen el vapor de agua.•

No metales:

Las propiedades que caracterizan a los no metales son.

Sustancias simples.• Sólidas (azufre, yodo, etc.), líquida (bromo), gaseosas (nitrógeno, oxigeno, cloro, hidrogeno, etc.).• No tienen brillo metálico, excepto el yodo.• No conducen la corriente eléctrica, excepto el grafito.• No son buenos conductores del calor.• Los sólidos son generalmente quebradizos.• No son dúctiles ni maleables.•

METALES DE TRANSICIÓN Y DE TRANSICIÓN INTERNA:

Los metales de transición tienen como característica propia las subcapas d incompleta o fácilmente dan lugar aiones con subcapas d incompletas.

Propiedades físicas generales:

La mayoría de los metales de transición tienen una estructura de empaque compacto en la que cada átomotiene un número de coordinación 12. Además, estos elementos tienen radios atómicos relativamente pequeños.El efecto combinado de empaquetamiento compacto y tamaño atómico pequeño produce enlaces metálicosfuertes. Por lo tanto, los metales de transición tienen densidades mayores, puntos de ebullición y de fusiónsuperiores, y calores de fusión y vaporización más altos que los metales de los grupos 1ª o 1 y 2A o 2, que losmetales del grupo 2B o 12.

Estados de oxidación:

Los metales de transición adquieren diversos estados de oxidación en sus compuestos mediante la pérdida deuno o más electrones. Los estados de oxidación más comunes de cada elemento incluyen +2, +3 o ambos.

Estados de oxidación

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu

+7

+6 +6 +6

+5 +5 +5 +5

+4 +4 +4 +4 +4 +4

+3 +3 +3 +3 +3 +3 +3 +3 +3

+2 +2 +2 +2 +2 +2 +2 +2

+1

Color:

Los iones de los grupos I, II, y III son incoloros. Cuando uno de sus compuestos es coloreado, se debe alanión. Los aniones cloruro, sulfato, nitrato, por nombrar solo tres, son incoloros, por lo que los cloruros,sulfatatos y nitratos de los elementos de los grupos I, II y III son todos blancos. Sin embargo, para los

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elementos de transición la existencia de cationes coloridos es tan característica como la variedad de númerosde oxidación. Además los aniones de los elementos de transición, tales como el permanganato, Mno4−1,(púrpura oscuro), y dicromato, Cr2o7−2, (anaranjado brillante), también muestran color.

La siguiente tabla muestra algunos de los colores de los elementos de transición del período cuatro y losestados de oxidación.

+2 +3 +4 +5 +6 +7

Sc Incoloro

Ti Violeta Incoloro

V violeta Verde azul Rojo

Cr Azul Verde Amarillo−anaranjado

Mn Rosa verde púrpura

Fe Verde−pálido Ambar

Co Rosa Azul

Ni Verde

Cu Azul

Zn Incoloro

Los elementos de transición son paramagnéticos:

Muchos de los compuestos de los elementos de transición son paramagnéticos. El paramagnetismo se cree quees debido a la presencia de electrones desapareados en los iones. Un electrón que gira alrededor de su propioeje, por ser una carga en movimiento

Engendra débiles campos, eléctrico y magnético. El campo magnético es el que origina el paramagnetismo.

La presencia de electrones desapareados en los orbitales d de los iones de los elementos de transición es lafuente de su paramagnetismo.

Propiedades catalíticas:

Muchos de los metales de transición y sus compuestos son buenos catalizadores tanto para reaccionesinorgánicas como orgánicas y para procesos electroquímicos. Esta actividad catalítica se cree que es debida ala presencia de orbitales d, desocupados o parcialmente desocupados. Ejemplo: el uso del platino comocatalizador en las reacciones de hidrogenación.

TIERRAS RARAS:

Lantánidos, grupo de elementos químicos del sistema periódico conocidos también como tierras raras. Estegrupo incluye los elementos con números atómicos del 58 al 71, que nombrados por orden son: cerio,praseodimio, neodimio, promecio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio ylutecio, aunque con frecuencia, el lantano también se incluye en este grupo.

Propiedades

Químicamente, la mayoría de los lantánidos son trivalentes. Sólo el cerio forma compuestos con valencia +4.La mayoría de los compuestos de los lantánidos son fuertemente paramagnéticos. Una aleación compuesta porhierro y lantánidos, llamada mischmetal, es pirofórica: al rasparla produce chispas. Se usa en los encendedoresde cigarros, en las lámparas de seguridad de los mineros, y en los mecanismos automáticos de iluminación por

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gas. El mischmetal se usa también para producir aleaciones de aluminio y magnesio, y algunos tipos de acero.El europio se usa como activador del fósforo. En un tubo de televisión en color proporciona el color rojo.

Separación

Los lantánidos se separan de los otros elementos del mineral mediante la precipitación con el reactivoadecuado. La separación de los lantánidos entre sí, por medios químicos ordinarios, es muy difícil porque suspropiedades químicas son similares, y el aislamiento de uno de los elementos puede implicar cientos decristalizaciones fraccionadas. Utilizando los métodos de intercambio iónico, se puede llevar a cabo laseparación de un solo elemento con más facilidad y precisión.

Los óxidos de los lantánidos, debido a su escasez, se llamaron en principio tierras raras, nombre que seextendió más tarde al grupo de elementos. Sin embargo, las tierras raras se encuentran en minerales que sonmás abundantes que los de otros metales, por ejemplo, los del grupo del platino. La fuente principal de lastierras raras es el mineral monacita. Otros minerales menos frecuentes que contienen cantidades pequeñas detierras raras son: la cerita, la gadolinita y la samarsquita.

Actínidos, grupo de 15 elementos radiactivos del sistema periódico con números atómicos entre 89 y 103.Sólo los cuatro primeros se han encontrado en la naturaleza en cantidades apreciables; los demás han sidoproducidos artificialmente. Los elementos con números atómicos 93 y siguientes se llaman elementostransuránicos. Los que constituyen el grupo de actínidos son, por orden de número atómico creciente: actinio,torio, protactinio, uranio, neptunio, plutonio, americio, curio, berquelio, californio, einstenio, fermio,mendelevio, nobelio y laurencio.

Representación de los elementos libres en las ecuaciones químicas

Habiendo clasificado los elementos de acuerdo con sus configuraciones electrónicas, es posible estudiar laforma en que los químicos representan los metales, metaloides y no metales que aparecen en las ecuacionesquímicas como elementos libres. Dado que los metales no existen en unidades discretas moleculares, siemprese usan sus fórmulas empíricas en las ecuaciones químicas. Las fórmulas empíricas son, desde luego, lasmismas que los símbolos que representan los elementos. Por ejemplo, la fórmula empírica del hierro es Fe, lamisma que el símbolo del elemento.

Para los no metales no hay una regla sencilla. El carbono, por ejemplo, existe como una red tridimensional deátomos, y se usa su fórmula empírica (C) para representarlo en las ecuaciones químicas. Dado que elhidrógeno, nitrógeno, oxígeno y los halógenos existen como moléculas diatómicas, se usan sus fórmulasmoleculares (H2, N2, 02, F2, Cl2, Br2, I2). La forma estable del fósforo, existe como moléculas de P4 yentonces utiliza P4. A pesar de que la forma estable del azufre es S8, los químicos usan a menudo su fórmulaempírica en las ecuaciones químicas. Así, en lugar de escribir la combustión del azufre como:

S8(s) + 802(g) 8SO2 (g)

Se suele escribir simplemente

S(s) + 02 (g) SO2 (g)

Todos los gases nobles existen como especies monoatómicas, así es que se usan sus símbolos: He, Ne, Ar, Kr,Xe y Rn. Los metaloides, al igual que los metales, existen todos en redes complejas tridimensionales, y serepresentan también con sus fórmulas empíricas, esto es, sus símbolos: B, Si, Ge y así sucesivamente.

Conriguraciones electrónicas de cationes y aniones

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Se han analizado las configuraciones electrónicas de los elementos, pero dado que muchos compuestosiónicos están formados por aniones y/o cationes, es útil saber cómo se escriben las configuracioneselectrónicas de estas especies iónicas. El procedimiento para escribir las configuraciones electrónicas de losiones sólo requiere una ligera ampliación del método utilizado para átomos neutros. Se agruparán los iones endos categorías para su análisis.

Iones derivados de los elementos representativos

En la formación de un catión a partir de un átomo neutro de un elemento representativo, se pierden uno o máselectrones del nivel ocupado más alto n. A continuación, se encuentran las configuraciones electrónicas dealgunos átomos neutros y sus correspondientes cationes:

Na [Ne] 3s1 Na + [Ne]

Ca [Ar] 4s2 Ca 2+ [Ar]

Nótese cómo cada ion tienen una configuración estable de gas noble.

En la formación de un anión, uno o más electrones se agregan al nivel n más alto

parcialmente lleno. Considérese el siguiente ejemplo:

H 1s1 H− 1s2 o [He]

Como puede verse de nuevo, todos los aniones tienen configuraciones estables de gas noble. Así es que lacaracterística de la mayoría de los elementos representativos es que los iones derivados de sus átomos neutrostienen configuraciones externas de gases notables nslnpl. lones, o átomos e iones, que tienen el mismo númerode electrones, y en consecuencia la misma configuración electrónica en el estado fundamental, se dice que sonisoelectrónicos. Así H− y He son isoelectrónicos; F−, Na+ y Ne son isoelectrónicos y así sucesivamente.

Cationes derivados de metales transicionales

En los metales de la primera serie de transición (de Se a Cu), el orbital 4s se llena siempre primero que losorbitales 3d. Considérese el magnesio, cuya configuración electrónica es [Ar]4S23d5. Cuando se forma el ionMn2+, se esperaría que los dos electrones saldrían del orbital 3d para producir [Ar]4S23d3. De hecho, laconfiguración electrónica del Mn2+ es [Ar]3d5. Se podrá entender esta inesperada secuencia al comprenderque las interacciones electrón−electrón y electrón−núcleo en un átomo neutro pueden ser muy diferentes delas que se dan en su ion. Así, mientras que el orbital 4s siempre se llena primero que el orbital 3d en Mn, loselectrones se pierden primero del orbital 4s al formar Mn2+, porque el orbital 3d es más estable que el orbital4s en los iones de los metales de transición. En consecuencia, al formar un catión de un átomo de un metaltransicional, los electrones siempre se sacan primero del orbital ns y después de los orbitales (n − l)d.

Manténgase presente que la mayoría de los metales transicionales pueden formar más de un catión y que amenudo los cationes no son isoelectrónicos del gas noble precedente.

Variaciones periódicas de las propiedades físicas

Como se ha visto, las configuraciones electrónicas de los elementos muestran una variación periódica alaumentar el número atómico. En consecuencia, los elementos también presentan variaciones periódicas encuanto a su comportamiento tanto físico como químico. En esta sección y en las dos siguientes, se examinaránalgunas propiedades físicas de los elementos en un grupo y a lo largo de un periodo y las propiedades queinfluyen en el comportamiento químico de los elementos. Sólo que antes de ver estos puntos, se analizará el

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concepto de carga nuclear efectiva, el cual es de utilidad para entender mejor estos temas.

Carga nuclear efectiva

El concepto de carga nuclear efectiva es muy útil al analizar las propiedades de los átomos polielectrónicos.Considérese el átomo de helio. La carga nuclear del helio es +2 pero la fuerza total de esta carga +2 esparcialmente disminuida por las repulsiones mutuas de los dos electrones ls. En otras palabras, en lo que alelectrón se refiere, la carga nuclear parece ser menor de +2. Por esta razón se dice que cada electrón ls está"protegido" del núcleo por otro electrón 1s y la carga nuclear efectiva, Zef está dada por

Zef = Z − or

donde Z es la carga nuclear real y o(sigma) se llama constante de apantallamiento (también llamada constantepantalla).

Una forma de mostrar el apantallamiento de los electrones es analizar el valor de la energía requerida paraquitar un electrón de un átomo polielectrónico. Las mediciones muestran que se requieren 2373 kJ de energíapara remover el primer electrón de 1 mol de átomos de He y 5248 kJ de energía para remover el electrónrestante de un mol de iones de He+. La razón por la cual se requiere menos energía en el primer paso es que larepulsión electrón−electrón, o el apantallamiento, provoca una reducción en la atracción del núcleo sobre cadaelectrón. En el He+ hay presente un solo electrón, así es que no hay apantallamiento y el electrón siente elefecto total de la carga nuclear +2. Por consiguiente, se requiere de mucho más energía para quitar el segundoelectrón.

Por último, es útil recordar los siguientes hechos acerca del apantallamiento:l) los electrones en un nivel dadoson apantallados por electrones de niveles interiores pero no por los electrones de niveles externos, y 2) losniveles llenos internos apantallan a los electrones externos con más eficacia que lo que los electrones en elmismo subnivel se apantallan entre sí. Se hará mención más adelante a estos hechos en el análisis de laspropiedades físicas y químicas de los elementos.

Radio atómico

Numerosas propiedades físicas, incluyendo la densidad, el punto de fusión y el punto de ebullición, estánrelacionadas con el tamaño de los átomos, pero el tamaño atómico es difícil de definir. La densidadelectrónica en el átomo se extiende más allá del núcleo. En la práctica, por lo general se piensa en tamañoatómico como el volumen que contiene un 90% de la totalidad de la densidad electrónica alrededor del núcleo.

Varias técnicas permiten estimar el tamaño de un átomo. Considérese en primer lugar los elementosmetálicos. La estructura de los metales es muy variada, pero todos ellos comparten una característica: susátomos están enlazados uno a otro en una extensa red tridimensional. Así es que el radio atómico de un metales la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos adyacentes [Fig. siguiente]. Para elementos queexisten como moléculas diatómicas simples, el radio atómico es la mitad de la distancia entre los núcleos delos dos átomos en una molécula específica [Fig. siguiente].

La figura anterior muestra el radio atómico de muchos elementos de acuerdo con su posición en la tablaperiódica, y la figura de abajo es una gráfica del radio atómico de estos elementos en función de sus númerosatómicos. Las tendencias periódicas son evidentes. Al estudiar las tendencias conviene tener en mente que losradios atómicos están determinados en gran medida por cuán fuertemente atrae el núcleo a los electrones. Amayor carga nuclear efectiva, los electrones estarán más fuertemente enlazados al núcleo y menor será elradio atómico. Considérese el segundo periodo de elementos del Li al F. Al desplazarse de izquierda aderecha, se encuentra que el número de electrones de la carga interna (ls2) permanece constante, mientras quela carga nuclear aumenta. Los electrones que se agregan para balancear la creciente carga nuclear efectiva

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aumenta constantemente mientras que el número cuántico principal permanece constante (n = 2). Por ejemplo,el electrón externo 2s del litio es "protegido" del núcleo (que tiene 3 protones) por los dos electrones ls. Comouna aproximación, se puede suponer que el efecto de apantallamiento de los dos electrones ls cancela doscargas positivas del núcleo. Entonces el electrón 2s sólo siente la atracción debida a un protón en el núcleo, ola carga nuclear efectiva es + 1. En el berilio (ls22s2) cada uno de los electrones 2s es apantallado por loselectrones internos ls, mismos que cancelan dos de las cuatro cargas positivas del núcleo. Como los electronesls no se apantallan entre sí de modo tan eficaz, el resultado neto es que la carga nuclear efectiva de cadaelectrón 2s es mayor de +1. Así, a medida que aumenta la carga nuclear efectiva, el radio atómico disminuyeconstantemente del litio al flúor.

A medida que se desciende en un grupo, por ejemplo, el grupo lA, se encuentra que el radio atómico aumentasegún aumenta el número atómico. Para los metales alcalinos la carga nuclear efectiva sobre el electrón másexterno permanece constante (+l) pero n crece. Como el tamaño de los orbitales aumenta con el incrementodel número cuántico principal n, el tamaño de los átomos metálicos aumenta del Li al Cs. El mismorazonamiento se puede aplicar a los elementos de los otros grupos.

Radio lónico

El radio cónico es el radio de un catión o de un anión. El radio iónico afecta las propiedades físicas y químicasde un compuesto iónico. Por ejemplo, la estructura tridimensional de un compuesto iónico depende deltamaño relativo de sus cationes y aniones.

Cuando un átomo neutro se convierte en un ion, se espera un cambio en el tamaño. Si el átomo forma unanión, su tamaño (o radio) aumenta, dado que la carga nuclear permanece constante pero la repulsiónresultante de la adición de electrón(es) extiende el dominio de la nube electrónica. Por otro lado, un catión esmás pequeño que su átomo neutro, dado que quitar uno o más electrones reduce la repulsión electrón−electróny se contrae la nube electrónica, La figura siguiente muestra los cambios de tamaño cuando los metalesalcalinos se convierten en cationes, y los halógenos en aniones.

la figura de abajo muestra los cambios de tamaño cuando un átomo de litio reacciona con un átomo de flúorpara formar una unidad de LiF.

Y la siguiente muestra los radios iónicos de iones derivados de los elementos más familiares, acomodados deacuerdo con su posición en la tabla periódica.

Se observa que en algunas regiones existen tendencias paralelas entre el radio atómico y el radio iónico. Porejemplo, de la parte superior a la parte inferior de la tabla periódica, ambos, el radio atómico y el radio iónico,aumentan. Para iones derivados de elementos de diferentes grupos, la comparación sólo tiene significado silos iones son isoelectrónicos. Si se examinan iones isoelectrónicos, se encuentra que los aniones son másgrandes que los cationes. Por ejemplo, el Na+ es menor que el F−. Ambos iones tienen el mismo número deelectrones, pero el Na (Z = 11) tiene más protones que el F (Z = 9). La mayor carga nuclear efectiva del Na+produce un menor radio.

Al considerar los cationes isoelectrónicos, se observa que los radios de iones tripositivos (esto es, iones quetengan tres cargas positivas), que a su vez son más pequeños que los iones unipositivos (esto es, iones quetengan una carga positiva). Esta tendencia se aprecia en forma adecuada con los tamaños de tres ionesisoelectrónicos del tercer periodo: Al3+, Mg2+ y Na+. El ion Al3+ tiene el mismo número de electrones queel Mg2+, pero tiene un protón de más, lo cual provoca que la nube electrónica del Al3+ sea atraída hacia elnúcleo más fuertemente que en el caso del ion Mg2+. El radio menor del Mg2+ comparado con el del sodioNa+ tiene una explicación similar. Al revisar los aniones isoelectrónicos, se encuentra que el radio aumenta delos iones uninegativos (esto es, con carga l−) a los de carga dinegativa (2−), y así sucesivamente. Así el ionóxido es mayor que el ion fluoruro, porque el oxígeno tiene menos protones que el fluoruro; la nube

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electrónica se expande con una mayor extensión en el 02−.

Variación de las propiedades físicas a lo largo de un periodo

Al desplazarse de izquierda a derecha en un periodo, hay una transición de metales a metaloides y a nometales.

Considérese el tercer periodo de elementos del sodio al argón.

La siguiente tabla muestra diversas propiedades físicas de los elementos del tercer periodo.

Los calores molares de fusión y evaporación de una sustancia son las energías (en kJ) requeridas para fundir yevaporar un mol de una sustancia en sus puntos de fusión y ebullición, respectivamente. Los términos"conductividad eléctricas y "conductividad térmica" se usan aquí cualitativamente para indicar la habilidad deun elemento para conducir la electricidad y el calor. El sodio, el primer elemento del tercer periodo, es unmetal muy reactivo, mientras que el cloro, el penúltimo elemento del mismo periodo, es un no metal, tambiénmuy reactivo. Entre ellos, los elementos muestran una transición gradual de propiedades metálicas apropiedades no metálicas. Nótese que el punto de fusión, el calor molar de fusión, el punto de ebullición y elcalor molar de vaporización aumentan del sodio al silicio y luego caen a valores bajos hasta el argón. El sodio,magnesio y aluminio tienen redes atómicas tridimensionales, y estos átomos se enlazan por fuerzascaracterísticas del estado metálico. El silicio es metaloide y tiene una estructura gigante tridimensional en lacual los átomos de silicio están enlazados muy fuertemente. (Ésta es la razón por la cual los calores de fusióny evaporación llegan a un máximo en el silicio. Mientras la fuerza de atracción entre los átomos sea mayor,mayor será la cantidad de energía requerida para llevar a cabo la transición de sólido a líquido, o de líquido avapor.)

Empezando con el fósforo, los elementos existen en unidades moleculares sencillas discretas (P4, S8, CI2, yAr). Estas moléculas o átomos (de argón) están enlazadas por fuerzas relativamente débiles llamadas fuerzasintermoleculares que operan entre las moléculas. En consecuencia, tienen menores calores de fusión yevaporación que los metales y el silicio.

La densidad de un elemento depende de tres cantidades: la masa atómica, el tamaño de los átomos y la formaen la cual los átomos se encuentran empacados en el estado de condensado. Se ve que la densidad, como otraspropiedades de los elementos, aumenta a medida que se avanza hacia el centro de la tabla y entoncesdisminuyen rápido al avanzar hacia la derecha. Esto es congruente con el hecho de que los metales son buenosconductores del calor y de la electricidad, mientras que los no metales son malos conductores en ambos casos.Nótese que el silicio, un metaloide, tiene propiedades intermedias.

Se observan tendencias similares para los elementos representativos en otros periodos. Como se observóantes, los metales transicionales, los lantánidos y los actínidos no muestran esta clase de variación periódica.

Predicción de propiedades físicas

Uno de los beneficios del conocimiento de las tendencias periódicas de las propiedades físicas es que sepueden 1 predecir las propiedades de los elementos. Supóngase que se quiere predecir el punto de ebulliciónde un elemento. Una posibilidad es utilizar los puntos de ebullición conocidos de los vecinos inmediatos delmismo grupo. En algunos casos se encuentra que el punto de ebullición del elemento es muy cercano alpromedio de los puntos de ebullición de los elementos inmediatos superior e inferior en el grupo.

Energía de ionización

Antes de analizar las variaciones periódicas de las propiedades químicas, se requiere considerar dos conceptos

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que juegan un papel importante al determinar si los átomos de los elementos formarán preferencialmentecompuestos iónicos o moleculares: la energía de ionización y la afinidad electrónica.

La energía de ionización es la mínima energía requerida para quitar un electrón de un átomo gaseoso en suestado fundamental. La magnitud de la energía de ionización es una medida de esfuerzo necesario para que unátomo libere un electrón, o de cuán "fuertemente" está enlazado un electrón al núcleo en el átomo. A mayorenergía de ionización, es más difícil quitar el electrón.

Energías de lonización de átomos polielectrónicos

Para un átomo polielectrónico, la cantidad de energía requerida para quitar el primer

electrón del átomo en su estado fundamental es,

energía + X (g) X+ (g) + e−

y se llama primera energía de ionización (I1). En la ecuación anterior, X representa un átomo de cualquierelemento, e es un electrón y g desde luego denota el estado gaseoso. A diferencia de un átomo que seencuentre en fase condensada (líquido y sólido), un átomo en fase gaseosa está virtualmente sin influencia desus vecinos. La segunda energía de ionización (I2) y la tercera energía de ionización (I3) se muestran en lassiguientes ecuaciones:

energía + X+ (g) X2+ (g) + e− segunda ionización

energía + X2+ (g) X3+ (g) + e− tercera ionización

El patrón continúa para la eliminación de los electrones subsecuentes.

Después de que un electrón se ha quitado de un átomo neutro, la repulsión entre los electrones remanentesdisminuye. Dado que la carga nuclear permanece constante, se necesita mayor energía para sacar otro electróndel ion cargado positivamente. Así, las energías de ionización siempre aumentan en el siguiente orden:

I1<I2<I3<...........

Por convención, la energía absorbida por átomos (o iones) en el proceso de ionización tiene un valor positivo.Así que las energías de ionización son todas cantidades positivas.

La siguiente figura muestra la variación de la primera energía de ionización con el número atómico.

La gráfica exhibe en forma clara la periodicidad en la estabilidad del electrón atado con menos fuerza alnúcleo. Nótese que, salvo algunas pequeñas irregularidades, las energías de ionización de los elementos de unperiodo aumentan al incrementarse el número atómico. Se puede explicar esta tendencia refiriéndose alincremento de la carga nuclear efectiva de izquierda a derecha (como en el caso de la variación de los radiosatómicos). Una mayor carga efectiva implica un electrón externo más fuertemente enlazado, y por lo tanto unaprimera energía de ionización mayor. Una característica notable en la figura son los máximos quecorresponden a los gases nobles. Esto es congruente con el hecho de que la mayoría de los gases nobles sonquímicamente inertes en virtud de sus elevadas energías de ionización. De hecho, el helio tiene la primeraenergía de ionización más elevada entre todos los elementos.

Los elementos del grupo lA (los metales alcalinos) en la parte inferior de la gráfica tienen las menoresenergías de ionización. Cada uno de estos metales tiene un electrón de valencia (la configuración electrónicaexterna es nsl), el cual está apantallado de manera eficaz por los niveles internos completamente llenos. En

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consecuencia es energéticamente fácil quitar un electrón de un átomo de un metal alcalino para formar un ionunipositivo (Li+, Na+, K+, . . .). En forma significativa, las configuraciones electrónicas de estos iones sonisoelectrónicas de los gases nobles inmediatamente precedentes en la tabla periódica.

El grupo de elementos 2A (los metales alcalinotérreos) tienen valores más altos para la primera energía deionización que los metales alcalinos. Los metales alcalinotérreos tienen dos electrones de valencia (laconfiguración electrónica externa es ns2. Debido a que estos dos electrones no se apantallan bien entre sí, lacarga nuclear efectiva de un átomo de metal alcalinotérreo es mayor que la del átomo del metal alcalino que leprecede en cada periodo. La mayoría de los compuestos de los metales alcalinotérreos contienen ionesdipositivos (Mg2+, Ca2+, Sr2+ , Ba2+). El ion Be2+es isoelectrónico con Li+ y con He, el Mg2+ esisoelectrónico con Na+ y del Ne, y así sucesivamente.

Del análisis precedente, se ve que los metales tienen relativamente bajos valores de energías de ionización,mientras que los no metales poseen mucho mayores valores de energías de ionización. Las energías deionización de los no metales. La diferencia en las energías de ionización explica por qué los metales siempreforman cationes y los no metales forman aniones en los compuestos iónicos. En un grupo dado, la energía deionización disminuye al aumentar el número atómico (esto es, hacia abajo de la tabla en un grupo). Loselementos de un mismo grupo tienen configuraciones electrónicas externas similares. Sin embargo, a medidaque aumenta el número cuántico principal n, aumenta de igual manera la distancia promedio de los electronesde valencia con respecto al núcleo. Una mayor separación entre el electrón y el núcleo significa atracción másdébil, de tal manera que se hace más fácil quitar los electrones al ir de un elemento a otro hacia abajo delgrupo. Asimismo, el carácter metálico de los elementos en un grupo aumenta de arriba hacia abajo. Estatendencia es particularmente notable para los elementos de los grupos 3A a 7A. Por ejemplo, en el grupo 4Ase nota que el carbono es un no metal, el silicio y el germanio son metaloides, y el estaño y el plomo sonmetales.

Aun cuando la tendencia general en la tabla periódica es que las energías de ionización aumenten de izquierdaa derecha, existen algunas irregularidades. La primera ocurre al ir del grupo 2A al 3A (por ejemplo, del Be alB y del Mg al Al). Todos los elementos del grupo 3A tiene un solo electrón en el subnivel externo (nS2npl), elcual está bien apantallado por los electrones internos y por los electrones nS2. En consecuencia, se necesitamenos energía para quitar el electrón p que para quitar un electrón apareado s del mismo nivel energéticoprincipal. Esto explica las energías de ionización menores del grupo 3A comparadas con las de los elementosdel grupo 2A del mismo periodo. La segunda irregularidad ocurre entre los grupos 5A y 6A (por ejemplo, deN a 0 y de P a S). En los elementos del grupo 5A (ns2np3), los electrones p están en tres orbitales separadosde acuerdo con la regla de Hund. En el grupo 6A (ns2np4) el electrón adicional debe aparearse con uno de lostres electrones p. La proximidad entre dos electrones en el mismo orbital provoca una gran repulsiónelectrostática, lo cual facilita la ionización de un átomo de un elemento del grupo 6A, aun cuando la carganuclear aumenta en una unidad. Por lo cual las energías de ionización de los elementos del grupo 6A sonmenores que las del grupo 5A del mismo periodo.

La importancia de la energía de ionización radica en la íntima relación entre la configuración electrónica (unapropiedad microscópica). Como se verá las propiedades químicas de cualquier átomo están relacionadas conla configuración de los electrones de valencia del átomo y la estabilidad de estos electrones se reflejadirectamente en las energías de ionización de los átomos.

Afinidad electrónica

Otra propiedad de los átomos que influye en su comportamiento químico es su habilidad para aceptar uno omás electrones. Esta habilidad se mide por la afinidad electrónica, la cual es el cambio de energía cuando unátomo acepta un electrón en el estado gaseoso. La ecuación es

X(g) + e− X−(g)

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donde X es un átomo de un elemento. De acuerdo con la convención usada en termodinámica, se asigna unvalor negativo a la afinidad electrónica cuando

se libera energía. Entre más negativa sea la afinidad electrónica, mayor será la tendencia del átomo a aceptarun electrón. La figura que se muestra a continuación es una gráfica de los valores de los primeros 20elementos contra el número atómico.

La tendencia a aceptar electrones aumenta globalmente (esto es, los valores de afinidad electrónica se hacenmás negativos) al moverse de izquierda a derecha a lo largo de un periodo. Las afinidades electrónicas de losmetales son por lo general más positivas (o menos negativas) que las de los no metales. Los valores difierenpoco en un grupo dado. Los halógenos (grupo 7A) tienen los valores de afinidad electrónica más negativos.Esto no sorprende si se observa que al aceptar un electrón, cada átomo de halógeno adquiere la configuracióndel gas noble que le sigue de inmediato. Por ejemplo, la configuración electrónica del F− es ls22s22p6 o [Ne];para CI− es [Ne]3s23p6 o [Ar]; y así sucesivamente. Los gases nobles, que tienen los subniveles externos s yp completos, no tienen tendencia a aceptar electrones.

La afinidad electrónica del oxígeno tiene un valor negativo, lo cual significa que el proceso

O(g) + e− O−(g)

es favorable. Por otro lado, la afinidad electrónica del ion O−,

O− (g) + e− 02−(g)

es positiva (780 kJ/mol) aun cuando el ion 02− es isoelectrónico del gas noble Ne. Este proceso esdesfavorable en fase gaseosa, porque el aumento en la repulsión electrón − electrón supera la estabilidadganada al adquirir la configuración de un gas noble. Sin embargo, nótese que los iones 02− son comunes enlos compuestos iónicos ,en los sólidos, estos iones son estabilizados por los cationes vecinos.

Variación de las propiedades químicas

La energía de ionización y la afinidad electrónica son dos características que ayudan al químico a entender lostipos de reacciones que efectúan los elementos y la naturaleza de los compuestos que forman. Utilizando estosconceptos, se puede indagar el comportamiento químico de los elementos en forma sistemática, poniendoespecial atención a la relación entre las propiedades químicas y las configuraciones electrónicas.

Se ha visto que al desplazarse a lo largo de un periodo de izquierda a derecha, el carácter metálico de loselementos disminuye. Así como al moverse en un grupo de la tabla periódica hacia abajo, el carácter metálicode los elementos aumenta. Con base en estas tendencias y el conocimiento de que los metales por lo comúntienen bajos valores de energías de ionización, mientras que los no metales tienen comúnmente altos valores(más negativos) de afinidad electrónica, a menudo es posible predecir lo que ocurrirá desde el punto de vistaquímico cuando los átomos de algunos de estos elementos reaccionan entre sí. El siguiente análisis sólo seenfoca a los elementos representativos.

Tendencias generales de las propiedades químicas

En esta parte se hará una revisión global de las tendencias. Se ha dicho que los elementos del mismo grupo separecen entre sí en su comportamiento químico porque tienen configuraciones electrónicas externas similares.Esta afirmación, aun cuando es correcta en términos generales, debe aplicarse con precaución. Los químicoshan sabido desde hace mucho tiempo que el primer miembro de cada grupo (esto es, el elemento del segundoperiodo, del litio al flúor) difiere del resto de los miembros del mismo grupo. Así, aunque el litio exhibemuchas de las propiedades características de los metales alcalinos, difiere en algunos aspectos del resto de los

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metales del grupo lA. De modo similar, el berilio es hasta cierto punto atípico respecto a los demás elementosdel grupo A, y así sucesivamente. La razón de la diferencia estriba en el tamaño muy pequeño del primermiembro de cada grupo.

Otra tendencia en el comportamiento químico de los elementos representativos es la relación diagonal. Larelación diagonal se refiere a las similitudes que existen entre pares de elementos de diferentes grupos yperiodos de la tabla periódica. De manera específica, los tres primeros miembros del segundo periodo (Li, Bey B) exhiben muchas similitudes con los elementos localizados diagonalmente debajo de ellos en la tablaperiódica. La química del litio se parece a la del magnesio en algunos aspectos; lo mismo es válida para elberilio y el aluminio, así como para el boro y el silicio. Entonces se dice que cada par de estos elemento tienerelación diagonal.

Al comparar las propiedades de los elementos del mismo grupo, es conveniente tener presente que lacomparación es más válida si se trata de elementos del mismo tipo. Estos lineamientos se aplican a loselementos de los grupos lA y 2A, que son todos metales, y a los elementos del grupo 7A, que son todos nometales. De los grupos 3A a 6A, donde los elementos cambian de no metales a metales, o de no metales ametaloides, es natural esperar una gran variación en las propiedades químicas aun cuando los elementos delmismo grupo tengan configuraciones externas similares.

1

1

Las propiedades químicas y la mayoría de las propiedades físicas de los elementos son función periódica desus pesos atómicos.

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d

7s 7p

Denota el n° de electrones en el orbital o subnivel

1s1

22

denota el n° cuántico principal n. Denota el n° cuántico de momento angular l.

He

a)1s2 b)1s2 c)1s2

H 1s1

He

23