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Radio atómico

Diagrama de un átomo de helio, que muestra la densidad de probabilidad electrónica en diferentes tonalidades de gris. El radio atómico de un elemento químico es una medida del t...

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Diagrama de un átomo de helio, que muestra la densidad de probabilidad electrónica en diferentes tonalidades de gris.

El radio atómico de un elemento químico es una medida del tamaño de su átomo , generalmente la distancia media o típica desde el centro del núcleo hasta el electrón aislado más externo . Dado que el límite no es una entidad física bien definida, existen diversas definiciones no equivalentes de radio atómico. Cinco definiciones ampliamente utilizadas son el radio covalente , el radio de Van der Waals , el radio de carga , el radio iónico y el radio metálico . Por lo general, debido a la dificultad de aislar los átomos para medir sus radios por separado, el radio atómico se mide en un estado químicamente enlazado; sin embargo, los cálculos teóricos son más sencillos al considerar los átomos aislados. Las dependencias del entorno, la sonda y el estado dan lugar a una multiplicidad de definiciones.

Según la definición, el término puede aplicarse a átomos en materia condensada , unidos covalentemente en moléculas o en estados ionizados y excitados ; y su valor puede obtenerse mediante mediciones experimentales o calcularse a partir de modelos teóricos. El valor del radio puede depender del estado y el contexto del átomo. [ 1 ]

Los electrones no tienen órbitas definidas ni rangos precisos. Más bien, sus posiciones deben describirse como distribuciones de probabilidad que disminuyen gradualmente a medida que uno se aleja del núcleo, sin un límite abrupto; a estas se las denomina orbitales atómicos o nubes electrónicas. Además, en la materia condensada y las moléculas, las nubes electrónicas de los átomos suelen superponerse en cierta medida, y algunos electrones pueden desplazarse por una amplia región que abarca dos o más átomos.

Según la mayoría de las definiciones, los radios de los átomos neutros aislados oscilan entre 30 y 300 pm ( billones de metro), o entre 0,3 y 3 angstroms . Por lo tanto, el radio de un átomo es más de 10 000 veces el radio de su núcleo (1–10 fm ), [ 2 ] y menos de 1/1000 de la longitud de onda de la luz visible (400–700 nm ).

La forma aproximada de una molécula de etanol , CH 3 CH 2 OH. Cada átomo está modelado por una esfera con el radio de Van der Waals del elemento .

Para muchos fines, los átomos pueden modelarse como esferas. Si bien esta es solo una aproximación burda, puede proporcionar explicaciones y predicciones cuantitativas para muchos fenómenos, como la densidad de líquidos y sólidos, la difusión de fluidos a través de tamices moleculares , la disposición de átomos e iones en cristales y el tamaño y la forma de las moléculas .

Historia

El primero en estimar el radio de un átomo fue Johann Chrysostom Magnenus en 1646. Estaba en misa y notó el olor a incienso que impregnaba la iglesia. Conocía el tamaño del incienso y estimó el tamaño de la iglesia. Presumió que podría detectar el incienso si hubiera un átomo en cada fosa nasal. [ 3 ] También presumió que el incienso estaba distribuido homogéneamente por toda la iglesia. Con estas suposiciones, pudo estimar el tamaño de un átomo en aproximadamente 10 elevado a la potencia de −24 metros cúbicos. (Las unidades que utilizó se han convertido al sistema métrico para facilitar las comparaciones con estimaciones posteriores). Tomando la raíz cúbica, esto da una estimación del radio atómico de aproximadamente 10 elevado a la potencia de −8 metros. Esto es algo mayor que las estimaciones actuales, pero dadas las suposiciones hechas en el cálculo, es muy bueno. Estos cálculos se publicaron en su obra Democritus reviviscens sive de atomis .

El concepto de radio atómico fue precedido en el siglo XIX por el concepto de volumen atómico, una medida relativa de cuánto espacio ocuparía en promedio un átomo en un material sólido o líquido dado. [ 4 ] A finales de siglo, este término también se utilizó en sentido absoluto, como un volumen molar dividido por la constante de Avogadro . [ 5 ] Dicho volumen es diferente para diferentes formas cristalinas incluso del mismo compuesto, [ 6 ] pero los físicos lo utilizaron para estimaciones aproximadas del tamaño atómico, obteniendo 10 −8 –10 −7 cm para el cobre. [ 7 ]

Las primeras estimaciones del tamaño atómico fueron realizadas por ópticos en la década de 1830, en particular Cauchy , [ 8 ] [ 9 ] quien desarrolló modelos de dispersión de la luz asumiendo una red de "moléculas" conectadas. [ 10 ] En 1857 Clausius desarrolló un modelo cinético de gases que incluía la ecuación para el camino libre medio . En la década de 1870 se utilizó para estimar tamaños de moléculas de gas, así como una comparación mencionada anteriormente con la longitud de onda de la luz visible y una estimación a partir del espesor de la película de burbujas de jabón en la que su fuerza contráctil disminuye rápidamente. [ 11 ] Para 1900, varias estimaciones del diámetro del átomo de mercurio promediaban alrededor de 275 ± 20 pm [ 8 ] (las estimaciones modernas dan 300 ± 10 pm, véase más abajo).

En 1920, poco después de que fuera posible determinar los tamaños de los átomos mediante cristalografía de rayos X , se sugirió que todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo radio. [ 12 ] Sin embargo, en 1923, cuando se dispuso de más datos cristalográficos, se descubrió que la aproximación de un átomo como una esfera no necesariamente se cumple al comparar el mismo átomo en diferentes estructuras cristalinas. [ 13 ]

Definiciones

Las definiciones más utilizadas de radio atómico incluyen:

  • Radio iónico : el radio nominal de los iones de un elemento en un estado de ionización específico, deducido del espaciado de los núcleos atómicos en sales cristalinas que contienen dicho ion. En principio, el espaciado entre dos iones adyacentes con carga opuesta (la longitud del enlace iónico entre ellos) debería ser igual a la suma de sus radios iónicos. [ 14 ]
  • Radio covalente : el radio nominal de los átomos de un elemento cuando están unidos covalentemente a otros átomos, deducido de la separación entre los núcleos atómicos en las moléculas. En principio, la distancia entre dos átomos unidos entre sí en una molécula (la longitud de ese enlace covalente) debería ser igual a la suma de sus radios covalentes. [ 14 ]
  • Radio metálico : el radio nominal de los átomos de un elemento cuando se unen a otros átomos mediante enlaces metálicos. [ 16 ]
  • Radio de Bohr : el radio de la órbita electrónica de menor energía predicha por el modelo atómico de Bohr (1913). [ 17 ] [ 18 ] Solo es aplicable a átomos e iones con un solo electrón , como el hidrógeno , el helio ionizado una vez y el positronio . Aunque el modelo en sí está obsoleto, el radio de Bohr para el átomo de hidrógeno todavía se considera una constante física importante, porque es equivalente a la distancia más probable del electrón al núcleo según la mecánica cuántica.

Radio atómico medido empíricamente

La siguiente tabla muestra los radios covalentes medidos empíricamente para los elementos, según lo publicado por JC Slater en 1964. [ 19 ] Los valores están en picómetros (pm o 1×10 − 12  m), con una precisión de aproximadamente 5 pm. El color del recuadro varía de rojo a amarillo a medida que aumenta el radio; el gris indica la falta de datos.

Gráfico que compara el radio atómico de elementos con números atómicos del 1 al 100. Precisión de ±5 pm.

Los electrones en los átomos llenan sus capas electrónicas desde el nivel de energía más bajo disponible. Como consecuencia del principio de Aufbau , cada nuevo periodo comienza con los dos primeros elementos llenando el siguiente orbital s desocupado . Dado que los electrones de los orbitales s de un átomo suelen estar más alejados del núcleo, esto produce un aumento significativo del radio atómico con los primeros elementos de cada periodo.

El radio atómico de cada elemento generalmente disminuye a lo largo de cada periodo debido al aumento del número de protones, ya que este incremento aumenta la fuerza de atracción sobre los electrones del átomo. Esta mayor atracción acerca los electrones a los protones, reduciendo así el tamaño del átomo. Al descender en cada grupo, el radio atómico de cada elemento suele aumentar debido a que hay más niveles de energía electrónica ocupados y, por lo tanto, una mayor distancia entre protones y electrones.

La carga nuclear creciente se ve parcialmente contrarrestada por el número creciente de electrones —un fenómeno conocido como apantallamiento— , lo que explica por qué el tamaño de los átomos generalmente aumenta hacia abajo en cada columna a pesar del aumento de la fuerza de atracción del núcleo. El apantallamiento electrónico provoca que la atracción del núcleo de un átomo sobre sus electrones disminuya, por lo que los electrones que ocupan estados de energía más altos, más alejados del núcleo, experimentan una fuerza de atracción reducida, aumentando el tamaño del átomo. Sin embargo, los elementos del bloque 5d ( del lutecio al mercurio ) son mucho más pequeños de lo que predice esta tendencia debido al débil apantallamiento de la subcapa 4f. Este fenómeno se conoce como contracción lantánida . Un fenómeno similar existe para los actínidos ; sin embargo, la inestabilidad general de los elementos transuránicos dificulta las mediciones para el resto del bloque 5f y hace que las de los transactínidos sean prácticamente imposibles. Finalmente, para elementos suficientemente pesados, el radio atómico puede disminuir debido a efectos relativistas . [ 20 ] Esto es consecuencia de que los electrones cercanos al núcleo fuertemente cargado viajan a una fracción suficiente de la velocidad de la luz para ganar una cantidad de masa no trivial.

La siguiente tabla resume los principales fenómenos que influyen en el radio atómico de un elemento:

Contracción de lantánidos

Los electrones en la subcapa 4f- , que se llena progresivamente desde el lantano ( Z = 57) hasta el iterbio ( Z = 70), no son particularmente efectivos para proteger la carga nuclear creciente de las subcapas más alejadas. Los elementos que siguen inmediatamente a los lantánidos tienen radios atómicos que son más pequeños de lo que se esperaría y que son casi idénticos a los radios atómicos de los elementos inmediatamente superiores a ellos. [ 21 ] Por lo tanto, el lutecio es de hecho ligeramente más pequeño que el itrio , el hafnio tiene prácticamente el mismo radio atómico (y química) que el zirconio , y el tantalio tiene un radio atómico similar al del niobio , y así sucesivamente. El efecto de la contracción lantánida es perceptible hasta el platino ( Z = 78), después del cual queda enmascarado por un efecto relativista conocido como el efecto del par inerte .

Debido a la contracción lantánida, se pueden extraer las 5 observaciones siguientes:

  1. El tamaño de los iones Ln³⁺ disminuye regularmente con el número atómico. Según las reglas de Fajans , la disminución del tamaño de los iones Ln³⁺ aumenta el carácter covalente y disminuye el carácter básico entre los iones Ln³⁺ y OH⁻ en Ln(OH) ₃ , hasta el punto de que Yb(OH) ₃ y Lu(OH) ₃ pueden disolverse con dificultad en NaOH concentrado caliente. Por lo tanto, el orden de tamaño de Ln³⁺ es : La³⁺ > Ce³⁺ > ... , ... > Lu³⁺ .
  2. Se observa una disminución regular en sus radios iónicos.
  3. Con el aumento del número atómico, se observa una disminución regular en su tendencia a actuar como agente reductor.
  4. La segunda y la tercera fila de elementos de transición del bloque d son bastante similares en sus propiedades.
  5. En consecuencia, estos elementos se presentan juntos en los minerales naturales y son difíciles de separar.

contracción del bloque d

La contracción del bloque d es menos pronunciada que la contracción de los lantánidos, pero surge de una causa similar. En este caso, es la escasa capacidad de apantallamiento de los electrones 3d la que afecta a los radios atómicos y las propiedades químicas de los elementos que siguen inmediatamente a la primera fila de los metales de transición , desde el galio ( Z  = 31) hasta el bromo ( Z  = 35). [ 21 ]

Radio atómico calculado

La siguiente tabla muestra los radios atómicos calculados a partir de modelos teóricos, publicados por Enrico Clementi y otros en 1967. [ 22 ] Los valores están en picómetros (pm).

Véase también

Referencias

  1. ↑ Cotton, FA; Wilkinson, G. (1988). Química inorgánica avanzada (5.ª ed.). Wiley . pág. 1385. ISBN   978-0-471-84997-1.
  2. ↑ Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. (2005). Fundamentos de física nuclear . Springer . pág. 13, fig. 1.1. ISBN  978-0-387-01672-6.
  3. ^ Curandero, Martín (2014). "El concepto de ley y modelos en química". Revista europea . 22 : S50-S86. doi : 10.1017/S106279871300077X . hdl : 20.500.11850/85278 . Consultado el 20 de junio de 2019, citando a Alfred Stückelberger, Antike Atomphysik (1979) y Democritus Reviviscens: Sive Vita et Philosophia Democriti (1658), Disputatio II, Caput III ( De Atomorum Proprietatibus ), p. 207 ( fuissent in hoc thuris grano, pisi magnitudinem non superante, atomi elementales ad mínimo 777 600 000 000 000 000, ex quibus patet quantae sit parvitatis atomus una, concjicique potest, quantus sit atomorum numerus in toto universo ). ["en este grano de incienso, que no excedería el tamaño de un guisante, habría al menos 777.600.000.000.000.000 átomos elementales, de los cuales se desprende cuán pequeño es un solo átomo, y se puede conjeturar cuán grande es el número de átomos en todo el universo"]
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