Radio del átomo

El radio de un átomo  es la distancia entre el núcleo atómico y la más lejana de las órbitas estables de electrones en la capa de electrones de este átomo. Dado que, de acuerdo con la mecánica cuántica , los átomos no tienen límites claros, y la probabilidad de encontrar un electrón asociado con el núcleo de un átomo dado a una cierta distancia de este núcleo disminuye rápidamente al aumentar la distancia, se le atribuye un radio determinado al átomo, creyendo que la gran mayoría está encerrada en una bola de esta parte de la densidad electrónica (alrededor del 90 por ciento). Hay varias definiciones del radio atómico , siendo las tres más utilizadas el radio de van der Waals , el radio iónico y el radio covalente .

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

Los electrones no tienen órbitas o límites bien definidos. Más bien, sus posiciones pueden describirse como distribuciones de probabilidad que se estrechan gradualmente a medida que se alejan del núcleo sin una reducción brusca. Además, en la materia condensada y las moléculas, las nubes de átomos de electrones generalmente se superponen hasta cierto punto, y algunos de los electrones pueden moverse en una región que abarca dos o más átomos ("pertenecer" a varios átomos al mismo tiempo).

Según la mayoría de las definiciones, los radios de los átomos neutros aislados oscilan entre 30 y 300 pm (o entre 0,3 y 3 angstroms ), mientras que los radios de los núcleos atómicos oscilan entre 0,83 y 10 fm [2] . Por tanto, el radio de un átomo típico es unas 30.000 veces mayor que el radio de su núcleo.

En muchos casos, la forma de un átomo puede aproximarse a la de una esfera . Esta es solo una aproximación aproximada, pero puede brindar representaciones cuantitativas y actuar como un modelo básico para describir muchos fenómenos, como la densidad de líquidos y sólidos, la difusión de líquidos a través de tamices moleculares , la disposición de átomos e iones en cristales . y el tamaño y la forma de las moléculas.

Los radios de los átomos cambian, obedeciendo ciertos patrones de la tabla periódica de elementos químicos . Por ejemplo, los radios atómicos generalmente disminuyen a medida que avanza de izquierda a derecha a lo largo de cada período (fila) de la tabla, desde los metales alcalinos hasta los gases nobles, y aumentan a medida que avanza de arriba hacia abajo en cada grupo (columna). Los radios atómicos aumentan bruscamente en la transición entre un gas noble al final de cada período y un metal alcalino al comienzo del siguiente período. Estas tendencias en los radios atómicos (junto con otras propiedades químicas y físicas de los elementos) se pueden explicar en términos de la teoría de la capa de electrones atómicos y también proporcionan evidencia para la confirmación de la teoría cuántica . Los radios de los átomos disminuyen en la tabla periódica porque a medida que aumenta el número atómico , aumenta la cantidad de protones en el átomo y se agregan electrones adicionales a la misma capa cuántica. Por tanto, la carga efectiva del núcleo atómico con respecto a los electrones exteriores aumenta, atrayendo a los electrones exteriores. Como resultado, la nube de electrones se contrae y el radio atómico disminuye.

Historia

En 1920, poco después de que fuera posible determinar el tamaño de los átomos mediante el análisis de difracción de rayos X , se sugirió que todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo radio [3] . Sin embargo, en 1923, cuando se obtuvieron más datos sobre cristales, se encontró que la aproximación de un átomo por una esfera no siempre es correcta cuando se comparan átomos de un mismo elemento en diferentes estructuras cristalinas [4] .

Definiciones

Las definiciones ampliamente utilizadas para el radio de un átomo incluyen:

• Radio de van der Waals, radio de Van der Waals [ 5]  : este valor corresponde a la mitad de la distancia internuclear entre los átomos más cercanos del mismo nombre que no están unidos químicamente y pertenecen a moléculas diferentes (por ejemplo, en cristales moleculares ). [6] .
• Radio iónico : El radio nominal de los iones de un elemento en un estado particular de ionización, derivado de la distancia entre los núcleos atómicos en las sales cristalinas que incluyen esos iones. En principio, la distancia entre dos iones vecinos de carga opuesta ( la longitud del enlace iónico entre ellos) debería ser igual a la suma de sus radios iónicos [6] .
• Radio covalente : El radio nominal de los átomos de un elemento cuando están unidos covalentemente a otros átomos, derivado de la distancia entre los núcleos atómicos en las moléculas. En principio, la distancia entre dos átomos que están enlazados entre sí en una molécula (la longitud de este enlace covalente) debería ser igual a la suma de sus radios covalentes [6] .
• Radio metálico : El radio nominal de los átomos de un elemento cuando están conectados a otros átomos por enlaces metálicos .
• Radio de Bohr : radio de la órbita del electrón de menor energía predicho por el modelo de Bohr del átomo (1913) [7] [8] . Solo se aplica a átomos e iones con un electrón, como hidrógeno , helio ionizado individualmente y positronio . Aunque el modelo en sí ya está obsoleto, el radio de Bohr para el átomo de hidrógeno se considera una de las constantes físicas fundamentales.

Medida del radio de un átomo empíricamente

La tabla muestra los radios covalentes medidos experimentalmente para elementos publicados por el químico estadounidense D. Slater en 1964 [9] . Los valores se dan en picómetros (pm o 1 × 10-12 m) con una precisión de alrededor de 5 pm. Los tintes de color de las celdas varían de rojo a amarillo a medida que aumenta el radio; color gris - sin datos.

Explicación de las tendencias generales

El cambio en el radio de un átomo con un aumento en el número de carga puede explicarse por la disposición de los electrones en capas con una capacidad constante. Las capas generalmente se llenan en orden creciente de radio, ya que los electrones cargados negativamente son atraídos por los protones cargados positivamente del núcleo atómico. A medida que aumenta el número de carga a lo largo de cada fila de la tabla periódica, entran electrones adicionales en la misma capa exterior y su radio se reduce gradualmente debido al aumento de la carga nuclear. En los átomos de gases raros, la capa exterior está completamente llena; por lo tanto, el electrón adicional del siguiente elemento, el metal alcalino, irá a la siguiente capa exterior, lo que explica el aumento repentino del radio atómico.

El aumento de la carga nuclear se equilibra parcialmente con un aumento en el número de electrones, un fenómeno conocido como apantallamiento ; explica por qué el tamaño de los átomos generalmente aumenta en cada columna de la tabla periódica. Hay una importante excepción a este patrón, conocida como contracción de los lantánidos : valores menores a los esperados de los radios iónicos de los elementos químicos incluidos en el grupo de los lantánidos (número atómico 58-71), que se produce debido a un apantallamiento insuficiente del núcleo. carga por electrones del orbital 4f.

Esencialmente, el radio atómico disminuye con el tiempo debido al aumento en el número de protones en el núcleo. En consecuencia, más protones crean una carga más fuerte y atraen electrones con más fuerza, lo que reduce el tamaño del radio del átomo. A medida que avanzas por las columnas (grupos) de la tabla periódica, el radio atómico aumenta porque hay más niveles de energía y, por lo tanto, más distancia entre protones y electrones. Además, el blindaje de electrones debilita la atracción de protones, por lo que los electrones restantes pueden alejarse del núcleo cargado positivamente. Por lo tanto, el tamaño (radio del átomo) aumenta.

La siguiente tabla enumera los principales factores que afectan el radio de un átomo:

Contracción de lantánidos

En los elementos químicos del grupo de los lantánidos, los electrones en la subcapa 4f , que se llena gradualmente de cerio (Z = 58) a lutecio (Z = 71), no son particularmente efectivos para proteger la carga nuclear creciente. Los elementos que siguen inmediatamente a los lantánidos tienen radios atómicos que son más pequeños de lo que cabría esperar y que son casi idénticos a los de los elementos directamente encima de ellos [10] . Por lo tanto, el hafnio tiene esencialmente el mismo radio atómico (y propiedades químicas) que el zirconio , mientras que el tantalio tiene un radio atómico como el niobio , y así sucesivamente. El efecto de la compresión de los lantánidos se nota hasta platino (Z = 78), después de lo cual se nivela mediante un efecto relativista conocido como efecto de par inerte .

Lanthanide Compression tiene los siguientes 5 efectos:

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 Ln 3+ aumenta el enlace covalente y reduce el enlace principal entre los iones Ln 3+ y OH − en Ln(OH) 3 hasta tal punto que Yb(OH) ) 3 y Lu(OH) 3 difíciles de disolver en NaOH concentrado caliente. De ahí el orden de tamaño de los iones Ln 3+ :
   La 3+ > Ce 3+ > …, … > Lu 3+ .
2. Se observa una disminución regular de los radios iónicos.
3. Hay una disminución regular en la capacidad de los iones para actuar como agente reductor a medida que aumenta el número atómico.
4. La segunda y la tercera fila de elementos de transición del bloque d tienen propiedades bastante similares.
5. Estos elementos se encuentran juntos en los minerales naturales y son difíciles de separar.

d-compresión

La compresión d es menos pronunciada que la contracción de los lantanoides, pero ocurre por la misma razón. En este caso, la pobre capacidad de blindaje de los electrones 3d afecta los radios atómicos y las propiedades químicas de los elementos que siguen inmediatamente a la primera fila de metales de transición , desde el galio (Z = 30) hasta el bromo (Z = 35) [10] .

Radios atómicos calculados

La tabla muestra los valores de los radios de los átomos, calculados según modelos teóricos, publicados por el químico italiano Enrico Clementi y otros en 1967 [11] . Los valores se dan en picómetros (pm).

Véase también

• Radio de Bohr
• radio covalente
• Radio de Van der Waals
• radio iónico
• enlace químico

Notas

1. ↑ Algodón, FA; Wilkinson, G. Química inorgánica avanzada (indefinido) . — 5to. - Wiley , 1988. - S.  1385 . - ISBN 978-0-471-84997-1 .  
2. ↑ Basdevant, J.-L.; Rico, J.; Spiro, M. Fundamentos de Física Nuclear (sin especificar) . - Springer , 2005. - Pág. 13, fig. 1.1. - ISBN 978-0-387-01672-6 .  
3. ↑ Bragg, WL La disposición de los átomos en los cristales // Philosophical Magazine  : journal  . - 1920. - Vol. 6 , núm. 236 . - pág. 169-189 . -doi : 10.1080 / 14786440808636111 .  
4. ↑ Wyckoff, RWG Sobre la hipótesis de los radios atómicos constantes   // Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América  : revista. - 1923. - Vol. 9 , núm. 2 . - P. 33-38 . -doi : 10.1073/ pnas.9.2.33 . — . —PMID 16576657 .
5. ↑ Esta ortografía la proporciona el Diccionario de Ortografía Ruso: unas 200.000 palabras / Academia Rusa de Ciencias. Instituto de Idioma Ruso VV Vinogradova / Ed. V. V. Lopatina, O. E. Ivanova. - Ed. 4to, rev. y adicional — M.: AST-PRESS KNIGA, 2013. — 896 p. — (Diccionarios fundamentales de la lengua rusa). - Con. 68.- ISBN 978-5-462-01272-3 ".
6. ↑ 1 2 3 L.; Pauling. La naturaleza del enlace químico  (neopr.) . — 2do. — Prensa de la Universidad de Cornell , 1945.
7. ↑ Bohr, N. Sobre la constitución de átomos y moléculas, Parte I. - Unión de electrones por núcleos positivos // Revista filosófica  : revista  . - 1913. - vol. 26 , núm. 151 . - Pág. 1-24 . -doi : 10.1080/ 14786441308634955 .  
8. ↑ Bohr, N. Sobre la constitución de átomos y moléculas, Parte II. – Sistemas que contienen solo un núcleo único (inglés)  // Revista filosófica  : revista. - 1913. - vol. 26 , núm. 153 . - Pág. 476-502 . -doi : 10.1080/ 14786441308634993 .  
9. ↑ Slater, JC Atomic Radii in Crystals  //  Journal of Chemical Physics  : revista. - 1964. - Vol. 41 , núm. 10 _ - Pág. 3199-3205 . -doi : 10.1063/ 1.1725697 . - .
10. ↑ 12 W.L .; Alegre. Química Inorgánica Moderna  (indefinida) . — 2do. - McGraw-Hill Education , 1991. - Pág. 22. - ISBN 978-0-07-112651-9 .
11. ↑ Clementi, E.; Raymond, DL; Reinhardt, WP Constantes de detección atómica de funciones SCF. II. Átomos con 37 a 86 electrones  (inglés)  // Revista de física química  : revista. - 1967. - vol. 47 , núm. 4 . - Pág. 1300-1307 . -doi : 10.1063/ 1.1712084 . - .

Literatura

• Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. Breve libro de referencia química. ed. 2º, rev. y adicional - L.: Química, 1978. - 392 p.