Radio atómico, radio iónico y energía de ionización: propiedades periódicas

Radio atómico

El tamaño del átomo resulta difícil de acotar, ya que siguiendo las pautas marcadas por la mecánica cuántica, la distribución de la densidad electrónica de un átomo no tiene límites definidos. Una aproximación válida es considerar que cuando los átomos o iones se hallan unidos para formar agregados moleculares o cristales, se sitúan a distancias bien definidas de otros. Así, solemos tomar como radio atómico la mitad de la distancia entre dos núcleos idénticos: bien en un cristal (radio metálico), bien en una molécula (radio covalente). Por tanto, el valor del radio atómico dependerá siempre del tipo de enlace que presenten los átomos.

Variación del radio atómico

• En un periodo: la carga nuclear aumenta regularmente y el número de electrones crece en la misma proporción, pero estos completan orbitales del mismo nivel energético. Como el núcleo cada vez tiene más protones, atrae a los electrones del mismo nivel con mayor fuerza y, en consecuencia, las nubes electrónicas se contraen.
• En un grupo: la carga nuclear y el número de electrones se incrementan, y aumentan tanto las atracciones núcleo-electrón como las repulsiones electrón-electrón. Por otra parte, los electrones de los niveles internos apantallan el efecto del núcleo y, por tanto, la atracción que ejerce sobre los electrones de valencia disminuye. Los nuevos electrones se sitúan en niveles energéticos superiores, más alejados del núcleo.

Los electrones internos ejercen un efecto de apantallamiento de la carga positiva del núcleo. Por esta causa, los electrones más externos son atraídos con una fuerza menor; la carga neta que afecta a un electrón externo se denomina carga nuclear efectiva.

Radio iónico

El radio iónico de un elemento se define como el radio que tiene un átomo cuando ha perdido o ganado electrones al entrar a formar parte de una red cristalina. Esta definición presenta las mismas (o mayores) dificultades que la dada para el radio atómico, ya que los radios del catión y del anión de un determinado cristal no son iguales.

• Anión (X^-): si un átomo forma un anión, la carga nuclear permanece constante, pero al añadir un electrón aumenta la repulsión mutua entre los electrones del último nivel de energía. Como consecuencia, su tamaño aumenta.
• Catión (X⁺): si un átomo forma un catión, la carga nuclear permanece constante; al perder un electrón se reduce la repulsión electrón-electrón y, por consiguiente, la nube electrónica se contrae.

Energía o potencial de ionización

La primera energía o potencial de ionización de un elemento es la energía necesaria para extraer un electrón, el más débilmente retenido, de cada uno de los átomos que componen un mol de dicho elemento cuando se encuentran en estado gaseoso.

X(g) + E.I. → X⁺(g) + 1 e^-

La energía de ionización es diferente para cada elemento y, dentro de un mismo elemento, varía según se arranque el primero, el segundo o los sucesivos electrones, que están cada vez más cerca del núcleo.

Factores relacionados con la primera energía de ionización

• La carga del núcleo atómico: si la carga nuclear aumenta, aumenta la fuerza de atracción que ejercen las cargas positivas del núcleo sobre los electrones.
• El efecto de apantallamiento: los electrones situados en los niveles internos del átomo disminuyen la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones más alejados.
• El radio atómico: si el tamaño del átomo aumenta, disminuye la fuerza de atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones externos.

De acuerdo con lo anterior, la energía de ionización de un elemento guarda una relación directa con su configuración electrónica, por lo que podemos decir que es una función periódica. Puede explicarse de la siguiente manera:

En un periodo

Al pasar de un elemento al siguiente, aumenta el número atómico en una unidad y, con ello, la carga nuclear. Como el nuevo electrón se sitúa en el mismo nivel de energía, el radio atómico disminuye. El aumento de la carga nuclear y la reducción del radio atómico hacen que el último electrón añadido esté más fuertemente retenido, y la energía de ionización crece.

Las irregularidades encontradas en los elementos de transición se deben al efecto de apantallamiento y a la existencia de subniveles llenos o semillenos, que confieren estabilidad a los elementos que los presentan.

En un grupo

Al pasar de un nivel energético a otro mayor, aumenta la distancia entre los electrones de la capa de valencia y el núcleo. Como la fuerza atractiva entre el núcleo y los electrones externos disminuye con el cuadrado de la distancia, y además está en parte contrarrestada por el aumento de electrones de los niveles internos, el potencial de ionización disminuye.