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7-2.- Propiedades periódicas de los elementos.
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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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Tendencias en algunas propiedades periódicas atómicas clave de los elementos.
1) Tamaño atómico
2) Energía de Ionización
3) Afinidad electrónica
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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.
2 r
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Ejemplo: Radio atómico de Al = 143 pm
286 pm
143 pm
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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.
2 r
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Ejemplo: Radio atómico de Cl = 100 pm
100 pm Radio covalente del Cl en Cl2
Longitud de enlace, 200 pm
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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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Los radios atómicos de los elementos se han de-terminado utilizando varias técnicas experi-mentales.
Los radios atómicos varían en la tabla periódica siguiendo las tendencias que se indican:
aum
enta
decrece
Radio atómico
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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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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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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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La tendencia de variación de los radios iónicos en la tabla periódica es:
aum
enta
decrece
Radio iónico
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Ejemplos de radios iónicos, valores en pm.
Li+ Be2+ N3- O2- F-
60 31 171 140 136
Na+ Mg2+ S2- Cl-
95 65 K+ Ca2+ Sc3+ Ti4+ V5+ 184 181
133 99 81 68 59
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Problema 14.
Use sólo la tabla periódica para indicar cuál de los siguientes iones tiene el mayor tamaño:
a) N3- ó F-
b) Mg2+ ó Ca2+
c) Fe2+ ó Fe3+
d) K+ ó Li+
e) Au+ ó Au3+
f) P3- ó N3-
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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) + e- I1 = …
X+(g) = X2+(g) + e- I2 = …
X2+(g) = X3+(g) + e- I3 = …
donde las energías de ionización son I1, I2, I3, etc. y se nombran, primera, segunda, tercera, etc., energías 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:
dism
inu
ye
aumenta
Primera energíade ionización
d
ismin
uye
aumenta
Segunda energíade ionización
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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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20
2500
2000
500
1000
1500
0 1
32
6
45
Grupo
1 A(1)
2 A(2)
4 A
(14)3 A
(13)
5 A
(15)
7 A
17)6 A
(16)
8 A
(18)
Perío
do
2500
2000
500
1000
1500
0
Energía de
ionización
(KJ/mol)EENNEERRGGÍÍAA
DDEE
IIOONNIIZZAACCIIÓÓNN
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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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Los procesos de afinidad electrónica de un átomo Y cualquiera son:
Y(g) + e- = Y-(g) A1
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 < A3 …
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Ejemplos:
F(g) + e- = F-(g) A1 = -328 kJF-(g) + e- = F2-(g) A2 = 328 kJ
O(g) + e- = O-(g) A1= -141 kJO-(g) + e- = O2-(g) 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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H -72,8
Li-59,6
Na-52,9
K-48,4
Rb-46,9
Cs-45,5
1 A (1)
Be(+241)
Mg(+230)
Ca(+156)
Sr(+167)
Ba(+52)
2 A (2)
B -26,7
Al-42,5
Ga-28,9
In-28,9
Tl-19,3
3 A (13)
C-122
Si-134
Ge-119
Sn-107
Pb-35,1
4A (14)
N 0
P -72,0
As-78,0
Sb-103
Bi-91,3
5A (15)
O -141
S-200
Se-195
Te-190
Po-183
6A (16)
F -328
Cl -349
Br-325
I-295
At-270
7 A (17)
He(+21)
Ne(+29)
Ar(+34)
Kr(+39)
Xe(+40)
Rn(+41)
8 A (18) Electroafinidades, AElectroafinidades, A11 kJ/mol kJ/mol
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A. Radio atómico
C. Electroafinidad
B. Energía de ionización
Resumen tendencias propiedades periódicas
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H He
Li B C Ne
Na Si Ar
K Ge As Kr
Rb Sb Te Xe
Cs Pb Po At Rn
Fr
No metales metales metaloides
C: No metal, óxidos gaseosos solubles, inerte a ácidos
Pb: Metal, óxidos sólidos insolubles, reacciona con ácido (nítrico)
RA = 77pm
RA = 146 pm
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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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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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El típico comportamiento de un elemento 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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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 e- 4s se pierden primero que los 3d cuando el elemento forma cationes.
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¿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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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
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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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Muchos metales de transición y sus compues-tos son paramagnéticos debido a e- celibata-rios.
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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Problema 15.
Una de las especies Ag ó Ag+ es paramagné-tica, ¿cuál y por qué?
(Resuelto en clase)
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Recordando que, la Unidad 7 comprende el estudio de la estructura electrónica de los átomos enfocándalo en tres aspectos:
Modelo atómicoTabla de propiedades periódicasModelos de Enlace químico,
nos resta tratar a continuación lo relacio-nado con “enlace químico”.
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