Propiedades periódicas de los elementos: carga nuclear efectiva, radio atómico, energía de ionización, afinidad electrónica y electronegatividad
Propiedades periódicas de los elementos
La ley periódica fue enunciada de forma independiente por Lothar Meyer y Dmitri Mendeléiev en 1869. Posteriormente, en 1913, Henry G. Moseley estudió los espectros de rayos X de los elementos y describió que las propiedades periódicas se relacionan con el número atómico (Z).
Apantallamiento
El núcleo del átomo ejerce una fuerza de atracción sobre cada uno de los electrones, pero esta fuerza no es igual para todos. Los electrones internos protegen o apantallan la fuerza atractiva del núcleo sobre los electrones externos. El apantallamiento se produce por la repulsión entre los electrones del átomo.
El efecto de apantallamiento lo sufre el último electrón del nivel energético más externo. Existen dos tipos:
- El que ejercen los electrones del kernel o internos.
- El que ejercen los electrones que se encuentran en el mismo nivel energético que el último electrón.
Carga nuclear efectiva
La carga nuclear efectiva es la carga neta que experimenta un electrón en un átomo polielectrónico.
- En un periodo: la carga nuclear efectiva aumenta de izquierda a derecha, porque aumenta el número atómico y el apantallamiento no.
- En un grupo: la carga nuclear efectiva no cambia, porque el número atómico y el apantallamiento aumentan de la misma forma. Dentro de un mismo periodo, los electrones internos son los mismos, pero a medida que avanzamos hacia la derecha se va añadiendo un electrón con un apantallamiento menor que 1. Sin embargo, la Z aumenta, y con ello la diferencia se hace más grande.
Radio atómico
El radio atómico de un elemento químico es la mitad de la distancia internuclear mínima de la molécula diatómica de ese elemento en estado sólido.
- En un periodo: disminuye a medida que aumenta el número atómico (de derecha a izquierda). A lo largo de un periodo, la carga nuclear efectiva aumenta de izquierda a derecha, ejerciendo una mayor atracción sobre los electrones del nivel de valencia y disminuyendo el radio atómico.
- En un grupo: aumenta de arriba hacia abajo, porque la Z* no varía pero sí el número de niveles de llenado, lo que hace que el radio atómico aumente a lo largo del grupo.
Radio iónico
Catión: el átomo pierde electrones respecto al estado neutro, por lo que habrá un menor apantallamiento para un mismo número atómico y, con ello, la Z* aumenta. Esta mayor atracción hace que el catión tenga un tamaño menor.
Anión: los aniones ganan electrones respecto al átomo en estado neutro, por lo que habrá un mayor apantallamiento para un mismo número atómico y, con ello, la Z* disminuye. Esta menor atracción permite que la nube electrónica se expanda, por lo que el radio aumenta.
Especies isoelectrónicas: todas las especies isoelectrónicas tienen el mismo número de electrones. A mayor carga positiva, menor será el átomo. Respecto a los aniones, cuanto mayor sea su carga, menor será su Z*, por lo que su radio será mayor.
Energía de ionización
La energía de ionización es la energía necesaria para que un átomo neutro, X, en estado gaseoso y en su estado electrónico fundamental, pierda un electrón de su nivel externo y dé lugar a un ion monopositivo, X+, también en estado gaseoso fundamental:
X(g) + EI = X+(g) + 1e-
Es un proceso endotérmico. En un periodo, de izquierda a derecha, al aumentar el número atómico aumenta la Z* y disminuye el radio atómico. En un grupo, de arriba hacia abajo, la Z* no varía, sin embargo, el radio atómico aumenta. Además, los electrones están más atraídos por el núcleo y será más difícil arrancarlos; y, al revés, se encuentran cada vez menos atraídos y cada vez se necesitará menos energía para arrancarlos.
Afinidad electrónica
La afinidad electrónica es la energía intercambiada en el proceso por el que un átomo neutro, X, en estado gaseoso y fundamental, recibe un electrón y se transforma en un ion mononegativo, X-, también en estado gaseoso y electrónico fundamental. Es un proceso exotérmico, aunque a veces puede ser endotérmico.
- En un periodo: la tendencia a captar electrones aumenta de izquierda a derecha. Esto es así porque, en el periodo, aumenta la carga nuclear efectiva y disminuye el radio, de tal manera que el núcleo ejercerá una mayor atracción sobre ese nuevo electrón.
- En un grupo: la tendencia a captar electrones disminuye de arriba hacia abajo. En un grupo aumenta el radio de arriba abajo y permanece igual la carga nuclear efectiva, por lo que la atracción del núcleo irá disminuyendo.
Electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia relativa de los átomos a atraer electrones de otros átomos con los que están enlazados. En 1939, L. Pauling asignó al átomo de flúor como el más electronegativo, dándole el valor 4.0 y, a partir de él, se asignaron los demás.
- En un periodo: la electronegatividad aumenta al incrementarse el número atómico, ya que la carga nuclear efectiva aumenta y el radio disminuye, lo que aumenta la tendencia de los elementos a atraer los electrones que comparten en un enlace.
- En un grupo: disminuye de arriba hacia abajo, ya que la carga nuclear efectiva no varía pero el radio aumenta, lo que disminuye la tendencia a atraer electrones.
Cabe destacar que cuanto más pequeño sea el valor de la electronegatividad, más metálico será el elemento, y cuanto mayor sea la electronegatividad, más no metálico será.