7-2.- Propiedades periódicas de los elementos. UdeC/FCQ/M E König Unidad 7 (7-2)

Transcripción

1 7-2.- Propiedades periódicas de los elementos. 1

2 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 2

3 Tendencias en algunas propiedades periódicas atómicas clave de los elementos. 1) Tamaño atómico 2) Energía de Ionización 3) Afinidad electrónica 3

4 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 4

5 Ejemplo: Radio atómico de Al = 143 pm 286 pm 143 pm 5

6 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 6

7 Ejemplo: Radio atómico de Cl = 100 pm Longitud de enlace, 200 pm 100 pm Radio covalente del Cl en Cl 2 7

8 En moléculas diatómicas de átomos diferentes: Radio covalente de C 77 pm Radio covalente de Cl 100 pm Distancia enlace C-Cl 177 pm 8

9 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 decrece 9

10 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. 10

11 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 11

12 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. 12

13 La tendencia de variación de los radios iónicos en la tabla periódica es: Radio iónico aumenta decrece 13

14 Ejemplos de radios iónicos, valores en pm. Li + Be 2+ N 3- O 2- F Na + Mg 2+ S 2- Cl K + Ca 2+ Sc 3+ Ti 4+ V

15 Problema 14. Use sólo la tabla periódica para indicar cuál de los siguientes iones tiene el mayor tamaño: a) N 3- ó F - b) Mg 2+ ó Ca 2+ c) Fe 2+ ó Fe 3+ d) K + ó Li + e) Au + ó Au 3+ f) P 3- ó N 3-15

16 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: 16

17 X(g) = X + (g) + e - X + (g) = X 2+ (g) + e - X 2+ (g) = X 3+ (g) + e - I 1 = I 2 = I 3 = donde las energías de ionización son I 1, I 2, I 3, etc. y se nombran, primera, segunda, tercera, etc., enegías de ionización. (Algunas veces la energía de ionización se nombra potencial de ionización). 17

18 Las tendencias de variación de las energías de ionización en la tabla periódica son: Primera energía de ionización Segunda energía de ionización disminuye aumenta disminuye aumenta 18

19 Algunas energías de ionización en kj/mol (Tabla 8.3 Ch, 6a Ed.) Z Elem I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 1 H He Li Be B C N O F Ne

20 A 17) 8 A (18) A (16) Grupo 5 A (15) 4 A (14) 3 A (13) 2 A (2) 1 A (1) Energía de ionización (KJ/mol) 2500 E N E R G Í A D E Período I O N I Z A C I Ó N

21 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. 21

22 Los procesos de afinidad electrónica de un átomo Y cualquiera son: Y(g) + e - = Y - (g) A 1 Y - (g) + e - = Y 2- (g) A 2 Y 2- (g) + e - = Y 3- (g). A 3 donde A 1, A 2, A 3 son las primera, segunda, tercera, afinidad electrónica del elemento Y. Para un elemento se cumple que: A 1 < A 2 < A 3 22

23 Ejemplos: F(g) + e - = F - (g) F - (g) + e - = F 2- (g) O(g) + e - = O - (g) O - (g) + e - = O 2- (g) A 1 = -328 kj A 2 = 328 kj A 1 = -141 kj A 2 = 780 kj Interpretar valores desde el punto de vista de las confuguraciones electrónicas de las especies: F, F -, F 2-, O, O - y O 2-. Explicar por qué el O 2- se forma a pesar del valor de A 2. (O 2- existe combinado con otros elementos) 23

24 1 A (1) H -72,8 Li -59,6 2 A (2) Be (+241) Electroafinidades,, A 1 kj/mol 3 A (13) B -26,7 4A (14) C A (15) N 0 6A (16) O A (17) F A (18) He (+21) Ne (+29) Na -52,9 Mg (+230) Al -42,5 Si -134 P -72,0 S -200 Cl -349 Ar (+34) K -48,4 Ca (+156) Ga -28,9 Ge -119 As -78,0 Se -195 Br -325 Kr (+39) Rb -46,9 Sr (+167) In -28,9 Sn -107 Sb -103 Te -190 I -295 Xe (+40) Cs -45,5 Ba (+52) Tl -19,3 Pb -35,1 Bi -91,3 Po -183 At -270 Rn (+41) 24

25 Resumen tendencias propiedades periódicas A. Radio atómico B. Energía de ionización C. Electroafinidad 25

26 No metales metales metaloides H RA = 77pm He Li B C Ne Na Si Ar K Ge As Kr Rb Sb Te Xe Cs Pb Po At Rn Fr RA = 146 pm C: No metal, óxidos gaseosos solubles, inerte a ácidos Pb: Metal, óxidos sólidos insolubles, reacciona con ácido (nítrico) 26

27 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.) 27

28 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 Sc 3+ y, posiblemente, el Ti 4+ en algunos compuestos. 28

29 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] 4s 1 3d 0 Ca = [Ar] 4s 2 3d 0 Sc = [Ar] 4s 2 3d 1 Ti = [Ar] 4s 2 3d 2 29

30 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. 30

31 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. 31

32 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]5s 2 4d 2 d 2 d 2 d 2 d 1 = [Kr]5s 1 4d 10 más estable e - desapareado (celibatario), por lo tanto Ag es afectado por campo magnético externo UdeC / Qui 141 / 31 M. E. König 32

33 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. 33

34 Muchos metales de transición y sus compuestos son paramagnéticos debido a e - celibatarios. Los experimentos muestran que el ion Ti 2+ es paramagnético. Por qué? Ti (Z=22) => Ti = [Ar] 4s 2 3d 2 Ti 2+ = [Ar] 3d 2 = [Ar] 3d 1 d 1 Es la única configuración que justifica el paramagnetismo del Ti

35 Problema 15. Una de las especies Ag ó Ag + es paramagnética, cuál y por qué? (Resuelto en clase) 35

36 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. 36