7-2.- Propiedades periódicas de los elementos. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

7-2. Propiedades periódicas de los elementos Todo comportamiento físico y químico de los elementos se basa fundamentalmente en las configuraciones electrónicas de sus átomos UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Tendencias en algunas propiedades periódicas atómicas clave de los elementos. Tamaño atómico Energía de Ionización Afinidad electrónica UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

1) Tamaño atómico. El tamaño de los átomos se representa a través de una magnitud que se define como “radio atómico”. a) Para los átomos que están unidos entre sí formando una red tridimensional (metales) el “radio atómico” se define como la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos adyacentes. 2 r UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Ejemplo: Radio atómico de Al = 143 pm UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

b) Para elementos que existen como moléculas diatómicas sencillas, el “radio atómico” se define como la mitad de la distancia entre los dos núcleos de los dos átomos de una molécula específica. 2 r UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Ejemplo: Radio atómico de Cl = 100 pm UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

En moléculas diatómicas de átomos diferentes: UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Los radios atómicos de los elementos se han de-terminado utilizando varias técnicas experi-mentales. Los radios atómicos varían en la tabla periódica siguiendo las tendencias que se indican: aumenta decrece Radio atómico UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Estas tendencias se deben a dos efectos opuestos: Cuando el número cuántico n aumenta, los electrones externos están más alejados del núcleo. Cuando el número atómico Z aumenta, la carga nuclear que “sienten” los electrones internos es mayor. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Problema 13. Use sólo la tabla periódica para escribir en orden creciente de sus radios atómicos las siguientes especies: Ca, Mg, Sr K, Ga, Ca c) Br, Rb, Kr d) Sr, Ca, Rb UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Iones de carga positiva => cationes Por pérdida o ganancia de electrones, los átomos de los elementos pueden generar iones. Iones de carga positiva => cationes Iones de carga negativa => aniones. El tamaño de los iones se determina por la magnitud que se define como “radio iónico”. El radio iónico se determina por difracción de rayos X. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

La tendencia de variación de los radios iónicos en la tabla periódica es: aumenta decrece Radio iónico UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Ejemplos de radios iónicos, valores en pm. Li+ Be2+ N3- O2- F- 60 31 171 140 136 Na+ Mg2+ S2- Cl- 95 65 K+ Ca2+ Sc3+ Ti4+ V5+ 184 181 133 99 81 68 59 UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Problema 14. Use sólo la tabla periódica para indicar cuál de los siguientes iones tiene el mayor tamaño: N3- ó F- Mg2+ ó Ca2+ Fe2+ ó Fe3+ K+ ó Li+ Au+ ó Au3+ P3- ó N3- UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

2) Energías de ionización. La energía de ionización es aquella requerida para remover (quitar) completamente un electrón de un átomo (o de un ion) estando éste en su estado fundamental y en estado gaseoso. Un elemento puede tener tantas energías de ionización como sea el número de electrones que se le puedan quitar. Los electrones van saliendo de uno en uno y los cambios de estado, para un elemento cualquiera representado por el símbolo X, son: UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

X(g) = X+(g) + e- I1 = … X+(g) = X2+(g) + e- I2 = … donde las energías de ionización son I1, I2, I3, etc. y se nombran, primera, segunda, tercera, etc., energías de ionización. (Algunas veces la energía de ionización se nombra potencial de ionización). UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Las tendencias de variación de las energías de ionización en la tabla periódica son: disminuye aumenta Primera energía de ionización Segunda energía UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Algunas energías de ionización en kJ/mol (Tabla 8.3 Ch, 6a Ed.) Z Elem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H He Li Be B C N O F Ne 1312 2373 520 899 801 1086 1400 1314 1680 2080 5251 7300 1757 2430 2350 2860 3390 3370 3950 11815 14850 3660 4620 4580 5300 6050 6120 21005 25000 6220 7500 7470 8400 9370 32820 38000 9400 11000 12200 47261 53000 13000 15200 15000 UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

E N R G Í A D I O Z C Ó Energía de ionización (KJ/mol) 1 2 3 Período 4 2500 2000 500 1000 1500 1 3 2 6 4 5 Grupo 1 A (1) 2 A (2) 4 A (14) 3 A (13) 5 A (15) 7 A 17) 6 A (16) 8 A (18) Período Energía de ionización (KJ/mol) E N R G Í A D I O Z C Ó UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

3) Electroafinidad. Es la energía involucrada en el proceso de adición de un electrón a un átomo (o a un ion) gaseoso estando éste en su estado fundamental. A un elemento se pueden asociar tantas electroafinidades como electrones sea capaz de aceptar. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Los procesos de afinidad electrónica de un átomo Y cualquiera son: Y(g) + e- = Y-(g) A1 Y-(g) + e- = Y2-(g) A2 Y2-(g) + e- = Y3-(g) A3 …. donde A1, A2, A3 … son las primera, segunda, tercera, … afinidad electrónica del elemento Y. Para un elemento se cumple que: A1 < A2 < A3 … UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

(O2- existe combinado con otros elementos) Ejemplos: F(g) + e- = F-(g) A1 = -328 kJ F-(g) + e- = F2-(g) A2 = 328 kJ O(g) + e- = O-(g) A1= -141 kJ O-(g) + e- = O2-(g) A2 = 780 kJ Interpretar valores desde el punto de vista de las confuguraciones electrónicas de las especies: F, F-, F2-, O, O- y O2-. Explicar por qué el O2- se forma a pesar del valor de A2. (O2- existe combinado con otros elementos) UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Electroafinidades, A1 kJ/mol H -72,8 Li -59,6 Na -52,9 K -48,4 Rb -46,9 Cs -45,5 1 A (1) Be (+241) Mg (+230) Ca (+156) Sr (+167) Ba (+52) 2 A (2) B -26,7 Al -42,5 Ga -28,9 In Tl -19,3 3 A (13) C -122 Si -134 Ge -119 Sn -107 Pb -35,1 4A (14) N P -72,0 As -78,0 Sb -103 Bi -91,3 5A (15) O -141 S -200 Se -195 Te -190 Po -183 6A (16) F -328 Cl -349 Br -325 I -295 At -270 7 A (17) He (+21) Ne (+29) Ar (+34) Kr (+39) Xe (+40) Rn (+41) 8 A (18) Electroafinidades, A1 kJ/mol UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

B. Energía de ionización Resumen tendencias propiedades periódicas B. Energía de ionización A. Radio atómico C. Electroafinidad UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

H No metales metales metaloides C: No metal, óxidos gaseosos solubles, inerte a ácidos Pb: Metal, óxidos sólidos insolubles, reacciona con ácido (nítrico) RA = 77pm RA = 146 pm H He Li B C Ne Na Si Ar K Ge As Kr Rb Sb Te Xe Cs Pb Po At Rn Fr UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Las propiedades químicas resultan de una combinación de las características recién destacadas: radios atómicos y radios iónicos, energías de ionización, electroafinidades. Estudiar propiedades químicas y físicas generales de las familias de elementos representativos. (Sección 8.6 Chang, 6a Ed.) UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Propiedades magnéticas de iones de metales de transición. En contraste con los iones de elementos representativos , los iones de metales de transición raramente alcanzan configuración de gas noble porque para eso tendrían que perder o ganar muchos electrones. (Los valores de I y de A son una clara indicación de aquello). En el cuarto período hace excepción el Sc3+ y, posiblemente, el Ti4+ en algunos compuestos. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

El típico comportamiento de un elemento transición es formar uno o más cationes perdiendo todos sus electrones “ns” y algunos de sus electrones “(n-1)d”. Considérense los elementos K, Ca, Sc y Tidel 4° período. Sus configuraciones electrónicas son K = [Ar] 4s1 3d0 Ca = [Ar] 4s2 3d0 Sc = [Ar] 4s2 3d1 Ti = [Ar] 4s2 3d2 UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Los orbitales 4s son de menor energía que los 3d pero a medida que aumenta Z en el período y el número de e- se incrementa éstos van siendo atraídos fuertemente por el núcleo y el resultado es que los e- 3d van constituyendo orbitales de menor energía que el 4s. Esta es la razón de por qué, en los elementos de transición, con Z = 21, 22, 23… y más, los e- 4s se pierden primero que los 3d cuando el elemento forma cationes. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

¿Cómo se sabe cuál es la configuración correcta para el ion? La respuesta se obtiene del análisis de los espectros atómicos de emisión o de absorción, pero además de estos espectros las propiedades magnéticas de los elementos de transición permiten confirmar o rechazar configuraciones electrónicas probables. Las propiedades magnéticas se manifiestan en presencia de un campo magnético que interfiere con el spin de los electrones. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Una muestra de la especie (átomos, moléculas o iones ) se expone a un campo magnético externo y se miden los efectos. Sólo las especies con uno o más electrones desapareados son afectadas por campos magnéticos externos. Ejemplo: Ag (Z = 47) = [Kr]5s2 4d2d2d2d2d1 = [Kr]5s1 4d10 más estable e- desapareado (celibatario), por lo tanto Ag es afectado por campo magnético externo UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Se denomina paramagnetismo la tendencia de una especie con e- impares a ser atraida por un campo magnético externo. Una especie con todos sus electrones apareados no es afectada por campos magnéticos y se dice que ella es diamagnética. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Los experimentos muestran que el ion Ti2+ es paramagnético. ¿Por qué? Muchos metales de transición y sus compues-tos son paramagnéticos debido a e- celibata-rios. Los experimentos muestran que el ion Ti2+ es paramagnético. ¿Por qué? Ti (Z=22) => Ti = [Ar] 4s2 3d2 Ti2+ = [Ar] 3d2 = [Ar] 3d1 d1 Es la única configuración que justifica el paramagnetismo del Ti2+. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Una de las especies Ag ó Ag+ es paramagné-tica, ¿cuál y por qué? Problema 15. Una de las especies Ag ó Ag+ es paramagné-tica, ¿cuál y por qué? (Resuelto en clase) UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)

Tabla de propiedades periódicas Modelos de Enlace químico, Recordando que, la Unidad 7 comprende el estudio de la estructura electrónica de los átomos enfocándalo en tres aspectos: Modelo atómico Tabla de propiedades periódicas Modelos de Enlace químico, nos resta tratar a continuación lo relacio-nado con “enlace químico”. UdeC/FCQ/P.Reyes Unidad 7 (7-2)