Propiedades Periódicas de los Elementos: Conceptos Clave y Tendencias Atómicas

Propiedades Periódicas de los Elementos: Conceptos Fundamentales

1. Efecto Pantalla (S) y Carga Nuclear Efectiva (Z_eff)

El efecto pantalla (o apantallamiento) describe cómo los electrones internos de un átomo reducen la atracción que el núcleo ejerce sobre los electrones más externos. Aunque el último electrón es atraído por el núcleo, los electrones de niveles inferiores interfieren, disminuyendo esta atracción. La verdadera carga que el núcleo ejerce sobre el último electrón se conoce como carga nuclear efectiva (Z_eff).

La carga nuclear efectiva se calcula mediante la siguiente fórmula:

Zeff = Z - S

Donde:

• Z es el número atómico (carga nuclear real).
• S es la constante de apantallamiento, calculada mediante las Reglas de Slater.

Cálculo de S (Constante de Apantallamiento) según las Reglas de Slater:

La constante de apantallamiento (S) se determina sumando las contribuciones de los diferentes grupos de electrones:

S = (0,35 x Nn) + (0,85 x Nn-1) + N’

Donde:

• N_n: Número de electrones en el nivel más externo (n), excluyendo el electrón para el cual se calcula Z_eff. Si el elemento es un gas noble, se consideran todos los electrones de ese nivel.
• N_n-1: Número de electrones en el penúltimo nivel (n-1).
• N’: Número de todos los electrones restantes en niveles internos (n-2 y anteriores).

Ejemplo de Cálculo de Z_eff para ₁₁Na:

Configuración electrónica del ₁₁Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

• Nivel n (3s): 1 electrón. Para el cálculo de S, N_n = 1 - 1 = 0 (ya que estamos calculando para el único electrón 3s).
• Nivel n-1 (2s² 2p⁶): 8 electrones. N_n-1 = 8.
• Nivel N' (1s²): 2 electrones. N' = 2.

Aplicando la fórmula de Slater:

S = (0,35 x 0) + (0,85 x 8) + 2 = 0 + 6,8 + 2 = 8,8

Ahora, calculamos Z_eff:

Zeff = Z - S = 11 - 8,8 = 2,2

2. Radio Atómico

El radio atómico se define como la distancia entre el núcleo de un átomo y su electrón más externo. Es una medida del tamaño del átomo.

Radio Atómico Covalente:

Para átomos unidos covalentemente, el radio atómico covalente se estima como la mitad de la distancia internuclear entre dos átomos idénticos que comparten electrones. Se mide comúnmente en picómetros (pm), donde 1 pm = 10^-12 metros.

Tendencias del Radio Atómico en la Tabla Periódica:

• En un período (de izquierda a derecha): El radio atómico disminuye. Esto se debe a que la carga nuclear efectiva (Z_eff) aumenta, atrayendo con mayor fuerza a los electrones hacia el núcleo y reduciendo el tamaño del átomo.
• En un grupo (de arriba hacia abajo): El radio atómico aumenta. A medida que se desciende en un grupo, los electrones ocupan niveles de energía superiores, que están más alejados del núcleo, lo que resulta en un mayor tamaño atómico.

Efecto de la Ionización en el Radio Atómico:

• Cationes: Los cationes (iones positivos) son más pequeños que sus átomos neutros correspondientes. Al perder electrones, la repulsión interelectrónica disminuye y la carga nuclear efectiva sobre los electrones restantes aumenta, atrayéndolos más cerca del núcleo.
• Aniones: Los aniones (iones negativos) son más grandes que sus átomos neutros correspondientes. Al ganar electrones, la repulsión interelectrónica aumenta, y la carga nuclear efectiva por electrón disminuye, lo que provoca una expansión de la nube electrónica.

3. Energía de Ionización (EI)

La energía de ionización es la energía mínima necesaria para remover un electrón de un átomo en estado gaseoso y en su estado fundamental, formando un ion positivo (catión). Cuanto mayor sea la energía de ionización, más difícil será remover el electrón.

Factores que Influyen en la Energía de Ionización:

• Radio Atómico: Si el radio atómico es pequeño, los electrones están más cerca del núcleo y son atraídos con mayor fuerza, por lo que se necesita una mayor cantidad de energía para remover un electrón.
• Carga Nuclear Efectiva (Z_eff): Una mayor Z_eff implica una mayor atracción del núcleo por los electrones, lo que aumenta la energía de ionización.
• Configuración Electrónica: Los átomos con configuraciones electrónicas estables (como las de los gases nobles, ns² np⁶) tienen energías de ionización excepcionalmente altas, ya que es muy difícil remover un electrón de una capa completa.

Tendencias de la Energía de Ionización en la Tabla Periódica:

• En un período (de izquierda a derecha): La energía de ionización aumenta. Esto se debe a que el radio atómico disminuye y la Z_eff aumenta, haciendo que los electrones estén más fuertemente unidos.
• En un grupo (de arriba hacia abajo): La energía de ionización disminuye. A medida que el radio atómico aumenta, los electrones más externos están más alejados del núcleo y menos retenidos, lo que facilita su remoción.

4. Electroafinidad (EA) o Afinidad Electrónica

La electroafinidad es la energía liberada (o absorbida) cuando un átomo en estado gaseoso y en su estado fundamental capta un electrón para formar un anión. Generalmente, es un proceso exotérmico (energía liberada), por lo que los valores suelen ser negativos.

Ejemplo: Cl (g) + e- → Cl- (g)      EA = -348 kJ/mol

Factores que Influyen en la Electroafinidad:

• Valor Negativo de EA: Cuanto más negativa sea la energía de electroafinidad, más energía se libera, lo que indica una mayor tendencia del átomo a captar un electrón y formar un anión estable.
• Repulsión de Cargas: En general, un anión no tiende a captar otro electrón debido a la repulsión electrostática. Si esto ocurriera, el valor de EA sería cercano a 0 o positivo (endotérmico).
• Configuración Electrónica: La configuración electrónica influye significativamente. Por ejemplo:
  • Los halógenos (Grupo 17) tienen radios pequeños y alta carga nuclear efectiva. Tienden a captar un electrón para alcanzar la configuración electrónica de gas noble (ns² np⁶), lo que libera mucha energía (EA muy negativa).
  • Los elementos alcalinos (Grupo 1) tienen radios grandes y la menor carga nuclear efectiva en sus períodos. No retienen bien su último electrón y tienen baja tendencia a captar otro, por lo que su EA es menos negativa o incluso positiva.
  • Ejemplo de Configuración Electrónica:
    • ₆C: 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z⁰. El orbital 2p_z está vacío, lo que facilita la entrada de un electrón sin repulsión significativa.
    • ₇N: 1s² 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹. Cada orbital 2p ya posee un electrón desapareado. El electrón que intenta ingresar experimentará repulsión de estos electrones, lo que hace que la captación sea menos favorable (EA menos negativa o positiva).

5. Electronegatividad (EN)

La electronegatividad es una medida de la fuerza con la que un átomo en una molécula atrae los electrones compartidos hacia sí mismo en un enlace químico. Es una propiedad relativa y no tiene unidades.

Escala de Electronegatividad:

Existen varias escalas, siendo la de Pauling la más común, que va de 0 a 4. El elemento más electronegativo es el Flúor (F), con un valor de 3.98, y los menos electronegativos son el Cesio (Cs) y el Francio (Fr).

Tendencias de la Electronegatividad en la Tabla Periódica:

• En un período (de izquierda a derecha): La electronegatividad aumenta. A menor radio atómico y mayor carga nuclear efectiva, el núcleo está más cerca de los electrones de enlace y los atrae con mayor fuerza.
• En un grupo (de arriba hacia abajo): La electronegatividad disminuye. A medida que el radio atómico aumenta, los electrones de enlace están más alejados del núcleo y son menos atraídos.

Los gases nobles generalmente no tienen valores de electronegatividad asignados en las escalas comunes, ya que son muy estables y no tienden a formar enlaces ni a compartir electrones.

6. Termodinámica (Nota Breve)

La termodinámica es la rama de la física que estudia las relaciones entre el calor y otras formas de energía, así como los cambios de energía que ocurren en los procesos físicos y químicos.