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Cambios sistemáticos de las propiedades de los elementos.

En el artículo Periodicidad química se explicó que las propiedades químicas de los elementos se repetían con cierta periodicidad cuando estos se colocaban en orden creciente de su masa atómica, y que esto llevó a Mendeleev a organizar los elementos en una tabla que adquirió el nombre de Tabla periódica, cuya versión moderna se puede entender aquí.

Tamaño del átomo

Figura 1. Comportamiento del tamaño del átomo.


Pues bien, no solo el comportamiento químico de los elementos varía de modo sistemático, también lo hacen el tamaño del átomo y su energía de ionización. Empecemos por el tamaño del átomo.

Tamaño del átomo

Si asumimos que los átomos son esféricos podemos caracterizar a cada uno por su radio, es decir por su radio atómico. Estos radios atómicos se pueden medir con técnicas especiales y su valor normalmente se da en angstroms (Å, 1 Å = 10-10 metro), en nanometros (10-9 m), o picometros (10-12 m). La figura 1 a la derecha muestra el tamaño relativo de los elementos representativos. Note que los átomos varían en tamaño de modo regular al avanzar hacia abajo en el grupo y a lo largo del período de izquierda a derecha; de modo que se puede enunciar de forma general que:

1.- El radio atómico se incrementa a medida que se baja en el grupo.

2.- El radio atómico disminuye a medida que se avanza de izquierda a derecha en el período.

Esta regla tiene excepciones pero se puede tomar con válida de forma general.

Energía de ionización

Otra propiedad de los átomos que cambia de forma regular en la tabla periódica es la energía de ionización.

Como se sabe los átomos son eléctricamente neutros debido a la compensación mutua de las cargas eléctricas del núcleo con las de los electrones a su alrededor. Cuando un átomo no tiene las cargas eléctricas compensadas, es decir, cuando se rompe el balance protones-electrones de dice que es un ion. La única forma práctica de romper el equilibrio eléctrico de un átomo es quitando electrones al átomo neutro. Si usted toma un átomo de germanio (Ge) y le agrega un electrón el ion resultante tiene un electrón más que la cantidad de protones en el núcleo y por tanto el átomo mantiene una carga neta de -1. Estos iones cargados negativamente se les llama aniones. De la misma forma, y en caso contrario, si le quita un electrón al átomo de germanio se produce el efecto contrario en el equilibrio eléctrico y el ion queda cargado con una carga +1. Los iones con carga positiva se les denomina cationes.


Ahora, si tomamos un átomo neutro de un elemento cualquiera, digamos calcio (Ca) y le quitamos dos electrones se produce un exceso de dos protones en el núcleo, de modo que ahora la carga eléctrica del átomo es +2 y convencionalmente se escribe como Ca2+.

De otra manera si al átomo neutro escogido le agregamos dos electrones (cosa muy difícil en el calcio) la carga neta se convierte en +2 y el ion se representa como Ca2-. En todos los casos lo usual y convenido es que se escriba el símbolo del elemento que se ha ionizado y se coloque como superíndice el tipo de carga (+ o -) seguido del valor de la carga. Generalmente se omite el valor de la carga cuando esta es 1 de forma, por ejemplo, que los iones de litio (Li) y cloro (Cl) se escribirían Li+ y Cl+.

Algunos ejemplo prácticos de iones pueden ser:

N3- Es un ion de nitrógeno resultante de la ganancia de 3 electrones.

Mg2+ Es un ion de magnesio nacido de la pérdida de 2 electrones.

Fe3+ Es un ion de hierro formado por la pérdida de 3 electrones.

Si tratamos mas de cerca el asunto de retirar electrones de los átomos neutros para formar cationes tendremos que tener en cuenta que los electrones en el átomo están retenidos por la atracción del núcleo positivo, de forma que para sacar un electrón de esa atracción tendremos que darle "un empujón", digamos que "una patada" con la suficiente cantidad de energía para sacarlo fuera del campo de influencia del núcleo. En otros términos se puede decir que para retirar un electrón de un átomo neutro resulta necesario gastar cierta cantidad de energía. La cantidad mínima de energía necesaria para retirar un electrón (el más débilmente retenido por el átomo) de un átomo neutro se conoce como como primera energía de ionización o primer potencial de ionización del átomo en cuestión. El potencial de ionización se mide en física en eV (electrón-voltio).

En la tabla periódica que se muestra a continuación se muestran las primeras energías de ionización de los elementos en eV.

figura 2
Figura 2. Tabla periódica donde se muestran las energías de ionización de los elementos


Mire bien la figura 2 ¿ve usted alguna sistematicidad en la variación de las energías de ionización en las filas y las columnas?. Como se ha podido dar cuenta no solo el radio atómico tiende a cambiar de manera sistemática cuando se mueve a lo largo de filas y columnas, también lo hace la energía de ionización de forma que podemos enunciar que:

1.- El potencial de ionización decrece a medida que se baja en los grupos.

2.- El potencial de ionización se incrementa a medida que se avanza de izquierda a derecha en un período.

Esta característica resulta en que es mas fácil quitar un electrón al átomo neutro (toma menos energía) a medida que se baja en un grupo pero toma mas energía para hacer lo mismo a medida que se va de izquierda a derecha en un período.

Estas tendencias en cuanto a la necesidad de energía para quitar un electrón al átomo neutro se puede explicar en relación al radio atómico tratado arriba, observe que las tendencias a mayor potencial de ionización coinciden con la disminución del tamaño del átomo y de forma contraria a menos tamaño mas energía hay que gastar para hacer el trabajo. ¿No le parece muy razonable? claro, a medida que el diámetro crece los electrones mas externos son menos retenidos, primero porque la atracción entre el electrón negativo y el núcleo positivo se reduce debido a la distancia, y segundo porque los electrones intermedios (los que están mas adentro) forman una suerte de escudo y cancelan parcialmente la atracción hacia los electrones mas externos.
 
La variación regular de las energías de ionización permiten a los químicos explicar el comportamiento químico de los elementos. Si nos vamos al grupo IA (1) y tomamos el metal alcalino sodio (Na) vemos que su potencial de ionización en bastante bajo, lo que significa que este elemento fácilmente suelta un electrón. Pero si ahora nos movemos a la derecha en el período y tomamos el cloro (Cl) sucede los contrario, este elemento tiene un potencial de ionización alto y no es fácil quitarle un electrón y por lo tanto este elemento usualmente no cede un electrón cuando reacciona, de hecho su tendencia es contraria, mas bien tiende a tomar un electrón adicional cuando reacciona. Si ponemos juntos el cloro y el sodio es esto lo que sucede, cada átomo de sodio cede un electrón para convertirse en un catión Na+ y cada átomo de cloro acepta un electrón para convertirse en el anión Cl- y el resultado es la transformación, o mas bien la espectacular reacción química que da lugar al cloruro de sodio NaCl, la sal de mesa.



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