Unidad 7.2_propiedades periódicas

7-2.- Propiedades periódicas de los
elementos.
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Unidad 7 (7-2)
1
7-2. Propiedades periódicas de los elementos
Todo comportamiento físico y químico de
los elementos se basa fundamentalmente en
las configuraciones electrónicas de sus
átomos
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2
Tendencias en algunas propiedades
periódicas atómicas clave de los elementos.
1)
Tamaño atómico
2)
Energía de Ionización
3)
Afinidad electrónica
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3
1) Tamaño atómico.
El tamaño de los átomos se representa a través
de una magnitud que se define como “radio
atómico”.
a) Para los átomos que están unidos entre sí
formando una red tridimensional (metales) el
“radio atómico” se define como la mitad de la
distancia entre los núcleos de dos átomos
adyacentes.
2r
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4
Ejemplo: Radio atómico de Al = 143 pm
286 pm
143 pm
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5
b) Para elementos que existen como
moléculas diatómicas sencillas, el “radio
atómico” se define como la mitad de la
distancia entre los dos núcleos de los dos
átomos de una molécula específica.
2r
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6
Ejemplo: Radio atómico de Cl = 100 pm
Longitud de
enlace, 200 pm
100 pm
Radio covalente del
Cl en Cl2
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7
En moléculas diatómicas de átomos diferentes:
Radio covalente de C
77 pm
Radio
covalente
de Cl
100 pm
Distancia enlace
C-Cl 177 pm
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8
Los radios atómicos de los elementos se han determinado utilizando varias técnicas experimentales.
Los radios atómicos varían en la tabla periódica
siguiendo las tendencias que se indican:
Radio atómico
aumenta
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decrece
9
Estas tendencias se deben a dos efectos
opuestos:
1. Cuando el número cuántico n aumenta,
los electrones externos están más
alejados del núcleo.
2. Cuando el número atómico Z aumenta,
la carga nuclear que “sienten” los
electrones internos es mayor.
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10
Problema 13.
Use sólo la tabla periódica para escribir en
orden creciente de sus radios atómicos las
siguientes especies:
a) Ca, Mg, Sr
b) K, Ga, Ca
c) Br, Rb, Kr
d) Sr, Ca, Rb
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11
Por pérdida o ganancia de electrones, los
átomos de los elementos pueden generar iones.
Iones de carga positiva => cationes
Iones de carga negativa => aniones.
El tamaño de los iones se determina por la
magnitud que se define como “radio iónico”.
El radio iónico se determina por difracción de
rayos X.
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12
La tendencia de variación de los radios
iónicos en la tabla periódica es:
Radio iónico
aumenta
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decrece
13
Ejemplos de radios iónicos, valores en pm.
Li+
60
Be2+
N3-
31
171
Na+ Mg2+
95
65
K+
Ca2+ Sc3+ Ti4+ V5+
133
99
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81 68
O2-
F-
140
136
S2-
Cl-
184
181
59
14
Problema 14.
Use sólo la tabla periódica para indicar
cuál de los siguientes iones tiene el mayor
tamaño:
a) N3- ó Fb) Mg2+ ó Ca2+
c) Fe2+ ó Fe3+
d) K+ ó Li+
e) Au+ ó Au3+
f) P3- ó N3UdeC/FCQ/M E König
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2) Energías de ionización.
La energía de ionización es aquella requerida
para remover (quitar) completamente un electrón
de un átomo (o de un ion) estando éste en su
estado fundamental y en estado gaseoso.
Un elemento puede tener tantas energías de
ionización como sea el número de electrones que
se le puedan quitar.
Los electrones van saliendo de uno en uno y los
cambios de estado, para un elemento cualquiera
representado por el símbolo X, son:
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X(g) = X+(g) + eX+(g) = X2+(g) + eX2+(g) = X3+(g) + e-
I1 = …
I2 = …
I3 = …
donde las energías de ionización son I1, I2,
I3, etc. y se nombran, primera, segunda,
tercera, etc., enegías de ionización.
(Algunas veces la energía de ionización se nombra
potencial de ionización).
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Las tendencias de variación de las energías
de ionización en la tabla periódica son:
Primera energía
de ionización
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disminuye
disminuye
aumenta
Segunda energía
de ionización
aumenta
18
Algunas energías de ionización en kJ/mol (Tabla 8.3 Ch, 6a Ed.)
Z
Elem
I1
I2
I3
I4
I5
I6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
1312
2373
520
899
801
1086
1400
1314
1680
2080
5251
7300
1757
2430
2350
2860
3390
3370
3950
11815
14850
3660
4620
4580
5300
6050
6120
21005
25000
6220
7500
7470
8400
9370
32820
38000
9400
11000
11000
12200
47261
53000
13000
15200
15000
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E
N
E
R
G
Í
A
D
E
ía de
Energ ión
c
ioniza l)
o
(KJ/m
2500
2000
1500
25
00
1000
20
00
500
150
0
1
I
0
O
N
I
Z
A
C
I
Ó
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N
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100
0
2
3
500
4
o
íod
Per
5
6
1A
(1)
2A
(2)
6A
5 A (16)
)
4A
(15
)
A
14
3
) (
3
1
(
upo
Gr
7A
17)
8A 0
)
(18
20
3) Electroafinidad.
Es la energía involucrada en el proceso de
adición de un electrón a un átomo (o a un
ion) gaseoso estando éste en su estado
fundamental.
A un elemento se pueden asociar tantas
electroafinidades como electrones sea capaz
de aceptar.
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21
Los procesos de afinidad electrónica de un
átomo Y cualquiera son:
A1
Y(g) + e- = Y-(g)
Y-(g) + e- = Y2-(g)
A2
Y2-(g) + e- = Y3-(g)
A3
….
donde A1, A2, A3 … son las primera,
segunda, tercera, … afinidad electrónica
del elemento Y.
Para un elemento se cumple que:
A1 < A2 < A 3 …
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22
Ejemplos:
F(g) + e- = F-(g)
F-(g) + e- = F2-(g)
A1 = -328 kJ
A2 = 328 kJ
O(g) + e- = O-(g)
O-(g) + e- = O2-(g)
A1= -141 kJ
A2 = 780 kJ
Interpretar valores desde el punto de vista
de las confuguraciones electrónicas de las
especies: F, F-, F2-, O, O- y O2-. Explicar por
qué el O2- se forma a pesar del valor de A2.
(O2- existe combinado con otros elementos)
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23
1A
(1)
H
-72,8
Electroafinidades, A1 kJ/mol
2A
(2)
3A
(13)
4A
(14)
Li
-59,6
Be
(+241)
B
-26,7
C
-122
Na
-52,9
Mg
(+230)
Al
-42,5
K
-48,4
Ca
(+156)
Rb
-46,9
Cs
-45,5
He
(+21)
6A
(16)
7A
(17)
N
0
O
-141
F
-328
Ne
(+29)
Si
-134
P
-72,0
S
-200
Cl
-349
Ar
(+34)
Ga
-28,9
Ge
-119
As
-78,0
Se
-195
Br
-325
Kr
(+39)
Sr
(+167)
In
-28,9
Sn
-107
Sb
-103
Te
-190
I
-295
Xe
(+40)
Ba
(+52)
Tl
-19,3
Pb
-35,1
Bi
-91,3
Po
-183
At
-270
Rn
(+41)
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5A
(15)
8A
(18)
24
Resumen tendencias propiedades periódicas
A. Radio atómico
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B. Energía de ionización
C. Electroafinidad
25
No metales
metales
metaloides
RA = 77pm
H
He
Li
B C
Ne
Na
Si
Ar
K
Ge As
Kr
Rb
Cs
Sb Te
Pb
Fr
Xe
Po At Rn
RA = 146 pm
C: No metal, óxidos gaseosos solubles, inerte a ácidos
Pb: Metal, óxidos sólidos insolubles, reacciona con ácido (nítrico)
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26
Las propiedades químicas resultan de una
combinación de las características recién
destacadas: radios atómicos y radios
iónicos, energías de ionización,
electroafinidades.
Estudiar propiedades químicas y físicas
generales de las familias de elementos
representativos.
(Sección 8.6 Chang, 6a Ed.)
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27
Propiedades magnéticas de iones de metales de
transición.
En contraste con los iones de elementos
representativos , los iones de metales de
transición raramente alcanzan configuración de
gas noble porque para eso tendrían que perder
o ganar muchos electrones. (Los valores de I y
de A son una clara indicación de aquello).
En el cuarto período hace excepción el Sc3+ y,
posiblemente, el Ti4+ en algunos compuestos.
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28
El típico comportamiento de un elemento de
transición es formar uno o más cationes
perdiendo todos sus electrones “ns” y algunos
de sus electrones “(n-1)d”.
Considérense los elementos K, Ca, Sc y Tidel
4° período. Sus configuraciones electrónicas
son
K = [Ar] 4s1 3d0
Ca = [Ar] 4s2 3d0
Sc = [Ar] 4s2 3d1
Ti = [Ar] 4s2 3d2
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29
Los orbitales 4s son de menor energía que los
3d pero a medida que aumenta Z en el período
y el número de e- se incrementa éstos van
siendo atraídos fuertemente por el núcleo y el
resultado es que los e- 3d van constituyendo
orbitales de menor energía que el 4s.
Esta es la razón de por qué, en los elementos
de transición, con Z = 21, 22, 23… y más, los e4s se pierden primero que los 3d cuando el
elemento forma cationes.
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30
¿Cómo se sabe cuál es la configuración correcta para
el ion?
La respuesta se obtiene del análisis de los espectros
atómicos de emisión o de absorción, pero además de
estos espectros las propiedades magnéticas de los
elementos de transición permiten confirmar o
rechazar configuraciones electrónicas probables.
Las propiedades magnéticas se manifiestan en
presencia de un campo magnético que interfiere con
el spin de los electrones.
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31
Una muestra de la especie (átomos, moléculas o
iones ) se expone a un campo magnético externo
y se miden los efectos.
Sólo las especies con uno o más electrones
desapareados son afectadas por campos
magnéticos externos.
Ejemplo:
Ag (Z = 47) = [Kr]5s2 4d2d2d2d2d1
= [Kr]5s1 4d10 más estable
e- desapareado (celibatario), por lo tanto Ag es
afectado por campo magnético externo
UdeC / Qui 141 / 31
M. E. König
32
Se denomina paramagnetismo la tendencia de
una especie con e- impares a ser atraida por un
campo magnético externo.
Una especie con todos sus electrones apareados
no es afectada por campos magnéticos y se dice
que ella es diamagnética.
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33
Muchos metales de transición y sus compuestos son paramagnéticos debido a e- celibatarios.
Los experimentos muestran que el ion Ti2+ es
paramagnético. ¿Por qué?
Ti (Z=22) => Ti = [Ar] 4s2 3d2
Ti2+ = [Ar] 3d2 = [Ar] 3d1 d1
Es la única configuración que justifica el
paramagnetismo del Ti2+.
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34
Problema 15.
Una de las especies Ag ó Ag+ es paramagnética, ¿cuál y por qué?
(Resuelto en clase)
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35
Recordando que, la Unidad 7 comprende el
estudio de la estructura electrónica de los
átomos enfocándalo en tres aspectos:
Modelo atómico
Tabla de propiedades periódicas
Modelos de Enlace químico,
nos resta tratar a continuación lo relacionado con “enlace químico”.
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