Explorando la Estructura Atómica y las Propiedades Periódicas

Estructura Atómica y Propiedades Periódicas

Orbital: Es la probabilidad de encontrar un electrón en una región determinada del espacio.

Números Cuánticos

Número atómico (Z): Es igual al número de protones de un átomo (ubicado arriba en la tabla periódica).

Número másico (A): Es la suma de protones y neutrones de un átomo. El número de protones es igual al número de electrones en un átomo neutro.

Isótopos: Son átomos de un mismo elemento químico que se diferencian en el número de neutrones.

Tabla Periódica

Actualmente, los elementos se organizan por orden creciente de número atómico (Z). La tabla puede utilizarse para prever las estructuras electrónicas de los elementos. Consta de 7 periodos y 18 columnas.

1. Elementos representativos (bloques s y p): Estructura externa (capa de valencia): ns¹ a ns² np⁶
2. Elementos de transición (bloque d): Estructura externa: (n-1)d¹ ns² a (n-1)d¹⁰ ns²
3. Elementos de transición interna (bloque f): Estructura externa (con excepciones): (n-2)f^1-14 (n-1)d¹ ns²

Todos los elementos del mismo grupo tienen la misma configuración de capa de valencia y comportamiento químico similar. Por tanto, existe una relación entre la configuración electrónica y las propiedades químicas. Un átomo tiene estructura de capa cerrada si tiene una estructura de gas noble, muy estable. Además de las capas cerradas, son estables las estructuras np³, nd⁵ y nf⁷. Los átomos tienen tendencia a tener estructura estable (capa cerrada o semicapa cerrada) y así justifican las valencias y algunas variaciones de las estructuras:

Cr (Z=24): [Ar] 4s¹ 3d⁵

Cu (Z=29): [Ar] 4s¹ 3d¹⁰

Las propiedades periódicas son aquellas cuyo valor se puede prever por la posición de los átomos en la tabla periódica. Para conocer la variación de dichas propiedades, se han de tener en consideración algunos factores:

1. Carga nuclear: Número atómico, es decir, la carga positiva del núcleo.
2. Efecto pantalla: Los electrones de las capas internas del átomo repelen a los electrones de las capas externas y contribuyen a disminuir el efecto de la carga positiva del núcleo. La carga nuclear efectiva (Z*) tiene en consideración el efecto pantalla de los electrones internos. (Z*) es la carga real que mantiene unido un electrón al núcleo y depende de la carga nuclear (Z = nº protones) y el efecto pantalla. Así, a mayor Z, mayor Z*, y a mayor efecto pantalla, menor Z*.

Propiedades Periódicas

Radios Atómicos

El radio atómico disminuye en un periodo de izquierda a derecha y aumenta al descender en un grupo de arriba abajo. El aumento de la carga nuclear efectiva en un periodo es responsable de la disminución del radio atómico, y el aumento del valor de n de los electrones de la capa de valencia explica el aumento del tamaño al descender en un grupo.

Radio Iónico

Se entiende como el tamaño del catión o del anión de un elemento químico. Los cationes tienen menor tamaño que el radio atómico de los elementos, mientras que los aniones tienen mayor radio iónico que atómico. En un catión, los electrones más externos pasan a ser los de la capa anterior, y en un anión, el aumento de tamaño se debe a la repulsión de los electrones en la capa de valencia.

Energía de Ionización

Es la mínima energía necesaria para arrancar, de su capa de valencia, un electrón de un átomo neutro gaseoso en su estado fundamental. Disminuye al descender en un grupo y aumenta al avanzar en un periodo.

Afinidad Electrónica (AE)

Es la mínima energía intercambiada en un átomo en su estado gaseoso y fundamental cuando gana un electrón. La fuerza con la que el electrón es atraído depende de la Z*. En general, la AE aumenta al subir en un grupo y al desplazarse hacia la derecha.

Electronegatividad

Es la tendencia de un átomo a atraer electrones en un enlace químico.

Carácter Metálico

Es tener baja energía de ionización y poca afinidad electrónica.

Un átomo está en estado fundamental cuando todos sus electrones se encuentran en el orbital de menor energía posible, de acuerdo con el principio de Aufbau.

Un átomo está en estado excitado cuando alguno de sus electrones se encuentra en un nivel de energía superior al que le corresponde en su estado fundamental.

Un átomo está en un estado prohibido si no cumple el principio de exclusión de Pauli.

Enlace Químico

Conjunto de fuerzas que mantienen unidos los átomos cuando forman las moléculas o cristales, así como las fuerzas que mantienen unidas las moléculas cuando se presentan en estado sólido o líquido.

Energía de Enlace

Es la energía que se desprende en la formación de un enlace y resulta de un balance entre las energías de atracción y las energías de repulsión.

Energía de Red

Cantidad de energía que se desprende en la formación de un mol de compuesto iónico sólido a partir de los iones en estado gaseoso. Está relacionada con la entalpía de formación, pero tiene valores diferentes. La energía de red aumenta al disminuir el tamaño de los iones y al aumentar la carga de los iones.

Índice de Coordinación

Es el número de iones de un tipo que rodean a otro ion de diferente signo.

Propiedades de los Compuestos Iónicos

1. Puntos de Fusión y Ebullición: Son sólidos con puntos de fusión elevados. Fundir un cristal necesita la energía necesaria para vencer las fuerzas de atracción entre iones de signo contrario. Una vez fundidos, continúan las fuerzas de atracción entre iones y, por ello, sus puntos de ebullición son elevados. A mayor energía de red, mayores puntos de fusión y ebullición.
2. Solubilidad: Se disuelven en solventes polares. Las moléculas del disolvente interaccionan con los iones de la superficie. Los iones positivos con la parte negativa del dipolo y a la inversa. Serán más solubles los de menor energía de red.
3. Conductividad: No son conductores sólidos, ya que la conductividad está asociada a la movilidad de los iones. Por tanto, las disoluciones son conductoras y los compuestos fundidos también.
4. Dureza y Fragilidad: Son duros pero quebradizos. Mayor energía de red implica más dureza.

Tipos de Compuestos Covalentes

1. Sustancias Covalentes Moleculares: Los enlaces se establecen entre un número pequeño de átomos (ej: H₂O).
2. Sólidos Covalentes: Sustancias formadas por muchos átomos unidos por enlaces covalentes (ej: diamante, grafito y silicatos).

Propiedades

Los sólidos covalentes son de gran dureza y punto de fusión elevado. Son sólidos, insolubles en todo tipo de disolvente y malos conductores. Las sustancias moleculares están formadas por moléculas aisladas, tienen puntos de fusión y ebullición bajos, son blandas y solubles en disolventes moleculares.

Apolar (H-H): Molécula apolar.

Enlace Polar (H-F): Lineal = molécula polar; 3 abajo = polar; triangular apolar; tetraédrica apolar. Ejemplo: CH₃Cl es polar.