Propiedades Periódicas de los Elementos Quinta sesión Propiedades Periódicas de los Elementos

Carga Nuclear Efectiva Reglas de Salter 2

Carga Nuclear Efectiva Enrico Clementi (1931-) (en la foto) y D.L. Raimondi. Mejores cálculos para Z*. 3

4

Na Mg Al Si P S Cl Ar Z 11 12 13 14 15 16 17 18 Z* (1s) 10.63 11.61 12.59 13.57 14.56 15.54 16.52 17.51 Z*(2s) 6.57 7.39 8.21 9.02 9.82 11.43 12.23 Z*(2p) 6.80 7.83 8.96 9.94 10.96 11.98 12.99 14.01 Z* (3s) 2.51 3.31 4.12 4.90 5.64 6.37 7.07 7.76 Z* (3p)   4.07 4.29 4.89 5.48 6.12 6.76

Tendencia de Z* sobre el electrón de valencia Aumenta 6

Radio Atómico No se pueden obtener radios de átomos aislados. Solo en agregados atómicos. No le puede asignar a un átomo un radio que le sea característico en todos los compuestos. 7

Radio Atómico (2) El procedimiento que se sigue consiste en medir el radio de un átomo en un gran número de compuestos (por medio de difracción de rayos X) y sacar un valor promedio cuando el átomo interviene en la formación de un cierto número y “tipo de enlace”. 8

Radio Atómico (3) Se considera que el radio del átomo es la mitad de la distancia internuclear, cuando ambos átomos enlazados son idénticos. 9

Radio Atómico (4) sencillos dobles triples covalentes van der Waals Radios covalentes van der Waals metálicos iónicos sencillos dobles triples 10

Radio Atómico Efectivo O simplemente Radio Atómico. Covalente de ligadura sencilla para la mayoría de los elementos. Radio de Van der Waals para los gases nobles. 11

Radios de Van der Waals Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) 12

Radios de Van der Waals Cuando las distancias internucleares, entre átomos de elementos no metálicos, se miden por técnicas de difracción de rayos X, en sólidos se observan dos tipos de distancias. La más corta se relaciona con el enlace covalente y la más larga se conoce como la distancia de Van der Waals. 13

Radios de Van der Waals 2rcovalente 2rvdW  rvdW > rcov 14

Elemento Símbolo Efectivo (en Å) Waals (en Å) Radio Atómico Efectivo (en Å) Radio de Van der Waals (en Å) Hidrógeno H 0.32 1.20 Nitrógeno N 0.70 1.50 Oxígeno O 0.66 1.40 Cloro Cl 0.99 1.80 Azufre S 1.04 1.85 Arsénico AS 1.21 2.00 15

Radio Atómico Efectivo 16

Radio Atómico Efectivo Teórico (debido a Z*) 17

Radio Atómico Efectivo 18

Radio Atómico Efectivo 19

Tendencia Radio Atómico Disminuye en período. Aumenta en grupo (o familia). 20

Radio Covalente La mitad de la distancia internuclear en la molécula diatómica homonuclear. El enlace puede ser sencillo, doble o triple. renlace sencillo  renlace doble  renlace triple 21

Radio Covalente 22

Radio Covalente A U M E N T Disminuye 23

Radio Metálico Se pueden definir como la mitad de la distancia internuclear entre los átomos metálicos en una malla cristalina estrechamente empaquetada. 24

Radio Metálico (2) Covalente Metálico 25

Radio Metálico (3) Por lo tanto, los radios metálicos generalmente son mayores que los radios covalentes sencillos; aproximadamente, entre un 10% y un 15%, y son menores que los radios de van der Waals. 26

Radio Metálico (4) Elemento Símbolo Radio Covalente en (Å) Radio Metálico en (Å) Potasio K 2.03 2.35 Aluminio Al 1.18 1.43 Hierro Fe 1.17 1.26 Cobre Cu 1.28 Plata Ag 1.34 1.44 Platino Pt 1.30 1.39 27

Radio Metálico (4) A U M E N T Disminuye 28

Radio Iónico Los cationes son considerablemente más pequeños que los átomos neutros, en tanto que los aniones son más grandes. 29

Radio Iónico (2) - Cationes 30

Radio Iónico (3) - Aniones 31

Radio Iónico (4) 32

Radio Iónico (5) 33

Radio Iónico (6) 34

Radio Iónico en Å (carga del ión) Radio Covalente en Å Radio Iónico en Å (carga del ión) Sodio 1.54 0.95 (+1) Potasio 2.03 1.33 (+1) Rubidio 2.16 1.47 (+1) Flúor 0.64 1.36 (-1) Cloro 0.99 1.81 (-1) Bromo 1.14 1.96 (-1) 35

Series Isoelectrónicas Se puede notar el efecto del incremento de la carga nuclear efectiva. 36

El Volumen Atómico es una propiedad periódica 37

(Potenciales de ionización) Energía de Ionización (Potenciales de ionización) 38

Primera Energía de Ionización La primera energía de ionización de un elemento es el cambio de energía para la formación de iones +1 a partir de un gas formado por átomos neutros X(g)  X+(g) + e-(g) H = energía de ionización = EI 39

Energía de Ionización El potencial de ionización siempre es una magnitud positiva y refleja la facilidad con la que un electrón se puede remover. Un potencial de ionización pequeño implica que es más fácil extraer un electrón de un átomo. 40

Energía de Ionización (2) Para un elemento determinado se definen varias energías de ionización: X(g)  X+(g) + e-(g) primera EI X+(g)  X2+(g) + e-(g) segunda EI X2+(g)  X3+(g) + e-(g) tercera EI EI1  EI2  EI3  …  EIn Debido a que la carga eléctrica sobre la especie se torna más positiva y a que los electrones cada vez están más cercanos al núcleo. 41

Energía de Ionización (3) La primera energía de ionización y las subsecuentes n energías de ionización son propiedades periódicas . 42

Primera Energía de Ionización 43

Segunda Energía de Ionización 44

Tercera Energía de Ionización 45

Energía de Ionización (4) Primera EI versus carga nuclear de los primeros doce elementos. 46

Primera energía de ionización de los elementos representativos (KJ/mol) 47

D I S M N U Y E Aumenta 7A 8A H He 1A 2A 3A 4A 5A 6A 1318 2377 Li Be B C N O F Ne 527 904 808 1092 1420 1322 1686 2088 Na Mg Al Si P S Cl Ar 502 745 586 791 1021 1004 1264 1527 K Ca Ga Ge As Se Br Kr 427 594 770 954 946 1146 1356 Rb Sr In Sn Sb Te I Xe 410 556 565 715 841 879 1017 1176 Cs Ba Ta Pb Bi Po At Rn 377 510 724 711 820 --- 1042 D I S M N U Y E Aumenta 48

Al revés que el radio D I S M N U Y E Aumenta 7A 8A H He 1A 2A 3A 4A 1318 2377 Li Be B C N O F Ne 527 904 808 1092 1420 1322 1686 2088 Na Mg Al Si P S Cl Ar 502 745 586 791 1021 1004 1264 1527 K Ca Ga Ge As Se Br Kr 427 594 770 954 946 1146 1356 Rb Sr In Sn Sb Te I Xe 410 556 565 715 841 879 1017 1176 Cs Ba Ta Pb Bi Po At Rn 377 510 724 711 820 --- 1042 D I S M N U Y E Al revés que el radio Aumenta 49

Afinidad Electrónica X-1(g) ----------> X (g) + e- Potencial de ionización del ión negativo H = A.E. X-1(g) ----------> X (g) + e- 50

Afinidad Electrónica (2) A diferencia de la energía de ionización, el signo de la AE puede ser positivo o negativo. 51

Afinidad Electrónica (3) Es el cambio de energía que ocurre cuando un átomo, en estado gaseoso, acepta un electrón para formar un anión. H = -A.E. (ojo) X(g) + e- ----------> X-1(g) 52

Ciclo de Born y Haber Max Born (1882-1970) y Fritz Haber (1868-1934). Cálculo de entalpías de formación. 53

Hf0 = ? 54

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Para la Afinidad Electrónica: -412.2 = +107.7+119.5+501.6+(AE)-709.2 AE = -348.8 KJ/mole 61

Afinidad Electrónica (4) AE (KJ/mol) 62

Afinidad Electrónica (5) La afinidad electrónica es una propiedad periódica 63

Electronegatividad Linus Carl Pauling (1901-1994), premio Nóbel de Química en 1954 y premio Nóbel de la paz en 1962. En 1932: 64

Electronegatividad (2) La electronegatividad representa una medida del grado de atracción de un par de electrones en un enlace covalente. Pauling obtuvo los valores de electronegatividad, empíricamente, a través de la medición de las energías de los enlaces. 65

Electronegatividad (3) La escala de electronegatividades de Pauling sigue siendo la más usada en nuestros días y presenta valores que siempre son positivos. En esta escala el F es el elemento más electronegativo (4.0) y el Cs el menos electronegativo (0.7). 66

Electronegatividad (4) Los elementos que presenten valores grandes de electronegatividad son elementos que tienen gran tendencia a atraer electrones y se dice que son los elementos mas electronegativos Aquellos elementos con valores de electronegatividad pequeños tenderán a ceder electrones y se dirá que son los elementos menos electronegativos 67

Electronegatividad (5) H 2.1 Li 1.0 Be 1.5 B 2.0 C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0 Na 0.9 Mg 1.2 Al 1.5 Si 1.8 P 2.8 S 2.5 Cl 3.0 K 0.8 Ca 1.0 Ga 1.6 Ge 1.8 As 2.0 Se 2.4 Br 2.8 Rb 0.8 Sr 1.0 In 1.7 Sn 1.8 Sb 1.9 Te 2.1 I 2.5 Cs 0.7 Ba 0.9 Tl 1.8 Pb 1.8 Bi 1.9 Po 2.0 At 2.2 68

Electronegatividad (6) La electronegatividad es una propiedad periódica 69

Escalas de Electronegatividad  Pauling Mulliken Alred-Rochow Iczkowski-Margrave 70

Mulliken Robert Mulliken (1896-1986) 71

Electronegatividad de Mulliken M = PI + AE 2 Pauling = M/2.8 Cuando se expresa en eV 72

Electronegatividad de Mulliken (2) 73

Propiedades Metálicas de los Elementos Conductividad eléctrica alta. Conductividad térmica alta. Brillo metálico. Ductilidad. Maleabilidad. Etc. Aproximadamente 87 elementos se pueden tipificar como metales. 74

Conductividad eléctrica Es una propiedad periódica 75

Conductividad Térmica 76

Ubicación de los metales 77

Carácter Metálico A U M E N T Disminuye 78

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p s d f PI  AE CM, RI, RA, DISMINUYE DISMINUYE D I A U S M M E N N T Propiedad que disminuye Propiedad que aumenta CM = carácter metálico RI = radio iónico RA = radio atómico PI = potencial de ionización  = electronegatividad AE = afinidad electrónica s d p f DISMINUYE CM, RI, RA, DISMINUYE D I S M N U Y E A U M E N T 80

Tarea 31 De las siguientes especies químicas ¿cuál tiene un menor radio? Explique su respuesta. O2-, F-, Ne, Na+, Mg2+

Tarea 32 En cada uno de los siguientes pares de elementos identifique al que tenga mayor energía de ionización. Explique su respuesta: Li o Cs Li o F Cs o F F o I

Tarea 33 En cada uno de los siguientes pares de elementos identifique al que tenga mayor afinidad electrónica. Explique su respuesta: C o F F o I Cl o Br O o S

Tarea 34 ¿Cómo se relaciona la primera energía de ionización del ión cloruro Cl- con la afinidad electrónica del átomo de cloro Cl?

Tarea 35 Ordene los siguientes iones en orden decreciente de radio. Explique su respuesta. Se2-, S2-, Te2-, O2-

Estructura Molecular 86

Propiedades de enlace Longitud (o distancia) de enlace. Energía de enlace. Orden de enlace. Geometría Momento Dipolar. 87

Propiedades de enlace (2) Propiedades magnéticas. Propiedades ópticas. Propiedades espectroscópicas. Propiedades termodinámicas. 88

Longitud de enlace Es la distancia entre dos núcleos en un enlace químico 89

Energía de enlace E H H r0 E E H2 90

Orden de enlace Número de ligaduras en un enlace químico. H-H O=O NN 91

Geometría Posición relativa de los átomos en el espacio. 92

Momento Dipolar La polaridad de una molécula se indica a través de su momento dipolar, que mide la separación de cargas en la molécula. 93

Propiedades Magnéticas Diamagnetismo. Las moléculas son repelidas por un campo magnético. Paramagnetismo. Las moléculas son atraídas por un campo magnético. 94

Propiedades ópticas Color. 95

Propiedades espectroscópicas Espectros moleculares 96

Propiedades Termodinámicas Hf Gf 97

Teorías de enlace 98

Enlace por pares de electrones El Modelo de Lewis Enlace por pares de electrones 99

El Modelo de Lewis (2) Cuando los átomos se combinan para dar moléculas, lo hacen de tal forma que llenan sus orbitales de valencia. Los electrones adquieren una configuración estable que corresponde a la de un gas noble. 100

El Modelo de Lewis (3) Para los elementos en el segundo período este arreglo se conoce como Regla del Octeto. Para el Hidrógeno (primer período) la configuración estable es la del Helio (un par de electrones). 101

El Modelo de Lewis (4) Para los elementos en el tercer período o mayor, el número de electrones que se pueden acomodar en los orbitales de valencia puede ser mayor a 8. 102

El Modelo de Lewis (5) Se elige el átomo central (generalmente es el más electronegativo y nunca el Hidrógeno). Se cuentan los electrones de valencia de todos los átomos participantes. 103

El Modelo de Lewis (6) Se forman enlaces por pares de electrones entre el átomo central y los periféricos. Los electrones restantes se sitúan como pares solitarios para completar los octetos. 104

Metano (CH4) El C es el átomo central. Electrones de valencia: C – 4, H – 1 cada uno. 4 + 4 (1) =8  4 pares 105

Tetracloruro de carbono CCl4 El C es el átomo central. Electrones de valencia: C – 4, Cl – 7 cada uno. 4 + 4 (7) =32  16 pares 106

Amoníaco (NH3) El N es el átomo central. Electrones de valencia: N – 5, H – 1 cada uno 5 + 3(1) = 8 (4 pares) 107

Bióxido de Carbono (CO2) 108

Diatómicas Homonucleares ¿Orden de enlace? 109

Diatómicas Heteronucleares 110

Etano C2H6 111

Pentacloruro de Fósforo (PCl5) 112

El Modelo de Lewis (7) No predice longitudes de enlace. No da energías de enlace. Si da órdenes de unión de algunos compuestos de algunos elementos de los primeros dos períodos. 113

Tipos de enlace químico 114

Enlace covalente Compartición de pares de electrones. 115

Enlace covalente (2) Compuestos orgánicos. 116

¿100% covalente? Moléculas diatómicas homonucleares 117

Enlace iónico 118

Enlace iónico (2) 119

¿100% iónico? No hay compuestos 100% iónicos. Se analiza la diferencia de electronegatividades. Si la diferencia es pequeña  covalencia. Si la diferencia es grande  enlace iónico. 120

Porcentaje de carácter iónico Linus Pauling. 121

Porcentaje de carácter iónico (2) 122

Porcentaje de carácter iónico (3) 123

Enlace covalente polar La electronegatividad es la responsable de la polarización de los enlaces. 124

Enlace covalente polar (2) 125

Sus valores de electronegatividad son… Dos átomos están suficientemente cercanos como para que sus orbitales se mezclen Sus valores de electronegatividad son… similares muy diferentes Enlace iónico Metales No metales Enlace metálico Enlace covalente Muy cercanos Diferentes Enlace covalente no polar Enlace covalente polar 126

Anton Eduard van Arkel -en la fotografía- (1893-1976) y J. A. A Anton Eduard van Arkel -en la fotografía- (1893-1976) y J.A.A. Ketelaar en los años 40: 127

Triángulo de Van Arkel-Ketelaar 128

Michael Laing. En 1993. 129

Tetraedro de Laing 130

Teorías de estructura y el tetraedro de Laing 131

Tarea 36 ¿Cuál de los siguientes enlaces será iónico? H - H O - Cl Na - F C – N Cs - F Zn – Cl

Tarea 37 Escriba las estructuras de Lewis para las siguientes moléculas: HF CCl4 CO CO2

Tarea 38 Escriba las estructuras de Lewis para las siguientes moléculas: NH4+ C2H6 C2H4 C2H2 HCl HCN