Tema 3. CLASIFICACIÓN PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS. PROPIEDADES PERIÓDICAS

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1 Tema 3. CLASIFICACIÓN PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS. PROPIEDADES PERIÓDICAS 1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS 2. CLASES DE ELEMENTOS 3. DIMENSIONES ATÓMICAS 4. GANANCIA Y CESIÓN DE ELECTRONES 5. ELECTRONEGATIVIDAD 6. DUREZA Y BLANDURA 7. CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE VALENCIA. NUMEROS DE OXIDACIÓN 8. EFECTOS RELATIVISTAS Juan M. Gutiérrez-Zorrilla. Química Inorgánica 2004 Precursores L. B.G. de Morveau Tabla de sustancias "químicamente simples" J.W. Döbereiner Triadas de elementos (Cl, Br, I) Hacia 1850 se habían identificado 20 triadas 1862 A.E.B. de Chancourtois Ordenó los elementos en orden creciente de su peso atómico. Tabla helicoidal L. Meyer Tabla de valencias de 49 elementos 1864 W. Odling Tabla de 13 columnas que contenia 57 elementos 1865 J. A. R. Newlands Ley de las octavas H F Cl Co, Ni Br I Pt,Ir Li Na K Cu Rb Cs Os G(Be) Mg Ca Zn Sr Ba,V Hg Bo(B) Al Cr Y Ce, La Ta Tl C Si Ti In Zr W Pb N P Mn As Di, Mo Nb Bi O S Fe Se Ro(Rh), Ru Au Th L. Meyer Curva de volumen atómico y tabla periódica.

2 1869

3 Propuestas de Mendeleiev a. La periodicidad de las propiedades es inherente a la distribución. b. La distribución se corresponde con las valencias de los elementos. c. Las características de los elementos quedan determinadas por el valor de sus pesos atómicos. d. Los errores en los pesos atómicos pueden corregirse a partir de la posición del elemento en la tabla. e. Los elementos cuyas propiedades son parecidas, o tienen pesos atómicos parecidos o aumentan regularmente. Estableció la ley periódica: Si los elementos se disponen de acuerdo con los pesos atómicos, presentan diferentes propiedades periódicas

4 Comparación de algunas propiedades del Ga y Ge con las propiedades predichas para Eka-Al y Eka-Si Mendeleev's Predictions about Eka- Aluminum Observed Properties of Ga Mendeleev's Predictions about Eka-Silicon Atomic Weight about about Melting Point low 30 C Density Formula of Oxide EkaAl2O3 Ga2O3 EkaSiO2 GeO2 Observed Properties of Ge Formula of Its Chloride Compound EkaAlCl3 GaCl3 EkaSiCl4 GeCl4 Chemistry of Hydroxide EkaAl(OH)3 dissolves in both acids and bases. Ga(OH)3 dissolves in both acids and bases. Boiling Point of Its Chloride Compound EkaAlCl3 is more volatile than ZnCl2. GaCl3 is more volatile than ZnCl2. < 100 C 86 C y sucesores Lord Rayleigh W. Ramsay M.W. Travers Detectaron y aislaron los gases nobles. (valencia 0) Ar(1895), Kr, Ne y Rn ( ) 1913 N. Bohr Explica la tabla periódica en base a la teoría atómica 1913 H.G.J. Moseley Ley periódica 1940 E. Macmillan P. Abelson Sintetizaron el primer transuránido 93Np 1944 G. T. Seaborg Hipótesis de los actínidos

5 Moseley Moseley's relation between wavelength and atomic number for the Kα1, Lα1 and Mα1 spectral lines (after Goldstein et al. 1981). K λ = ( Z σ ) 2 E(keV ) = K (Z 1) 2 Moseley experiment

6 La Ley Periódica de Moseley establece que las propiedadese físicas y químicas de los elementos son funciones periódicas de sus números atómicos. Grupos: columnas 1-18 Periodos: filas 1-7 Bloques: s, p, d, f

7 Grupos Nombre específico / Nombre tradicional Grupos 1, 2, Elementos representativos (grupos principales) Grupos 1 y 2 Elementos del bloque s Elementos Configuración electrónica Grupo 1 Metales alcalinos Li, Na, K, Rb, Cs, Fr ns 1 (n= 2-7) Grupo 2 Metales alcalino-térreos Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra ns 2 (n= 2-7) Grupos Elementos del bloque p Grupo13 Elementos del grupo del boro B, Al, Ga, In, Tl ns 2 np 1 (n= 2-7) Grupo14 Elementos del grupo del carbono C, Si, Ge, Sn, Pb, Uuq ns 2 np 2 (n= 2-7) Grupo15 Pnictógenos N, P, As, Sb, Bi ns 2 np 3 (n= 2-7) Grupo16 Calcógenos O, S, Se, Te, Po, Uuh ns 2 np 4 (n= 2-7) Grupo17 Halógenos F, Cl, Br, I, At ns 2 np 5 (n= 2-7) Grupo18 Gases nobles He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, Uuo ns 2 np 6 (n= 2-7) Grupos 3-12 Elementos del bloque d Elementos de transición Primera serie de transición Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 4s 2 3d 1-4s 2 3d 10 Segunda serie de transición Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd 5s 2 4d 1-5s 2 4d 10 Tercera serie de transición La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg 6s 2 5d 1-6s 2 5d 10 Cuarta serie de transición Ac, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Uun, Uuu, 7s 2 6d 1-7s 2 6d 10 Uub Grupos f Lantánidos La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, 4f 1-4f 14 Ho, Er, Tm, Yb, Lu Actínidos Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr 5f 1-5f 14 Propiedades periódicas Propiedades que dependen de la configuración electrónica Radio atómico (volumen) Radio iónico Densidad Energía de ionización Afinidad electrónica Electronegatividad Punto de fusión Punto de ebullición Potencial de reducción estándar Valencia (número de oxidación) Calores de fusión vaporización y sublimación Energía de enlace Calor de solvatación de iones Dureza Maleabilidad Coeficiente de expansión Espectro óptico Comportamiento magnético Conductividad térmica Resitencia eléctrica Movilidad iónica Parachor Índice de refracción Calor de formación de un compuesto dado

8 Dimensiones atómicas. Volumen molar El volumen ocupado por un átomo o ion depende de su entorno Dimensiones atómicas. Radios atómicos radio covalente la mitad de la distancia entre el núcleo de dos átomos iguales que están formando un enlace covalente simple. radios iónicos da información del tamaño de un átomo que ha perdido o ganado electrones de valencia. radio metálico la mitad de la distancia experimental entre los núcleos de átomos vecinos del sólido. Radio de van der Waals: la mitad de la distancia internuclear entre dos átomos iguales de moléculas adyacentes. El radio depende de la compresión a que el átomo esté sometido.

9 Dimensiones atómicas. Radios atómicos Apéndice A. Radios covalentes y metálicos de enlace sencillo de los elementos H 37 He 32 Li Na K Rb 216 Cs Be Mg Ca 174 Sr 191 Ba Sc 144 Y 162 La Ti Zr Hf V 122 Nb 134 Ta Cr 119 Mo 130 W Mn Tc 127 Re Fe Ru Os Co Rh Ir Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uuq Uuh Uuo Ni Pd Pt Cu Ag Au Zn Cd Hg B Al Ga In Tl C 77 Si Ge Sn Pb N 75 P As Sb Bi O 73 S Se Te F 71 Cl 99 Br 114 I 133 Ne 69 Ar 97 Kr 110 Xe 130 4f 5f 6f 7f 8f 9f 10f 11f 12f 13f 14f 15f 16f 17f Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 165 Th 164 Pa 164 U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Fuentes: Radios covalentes (primera fila) se han obtenido de Huheey. Radios metálicos de enlace sencillo (segunda fila) Ball & Norvury, Physical Data for Inorganic Chemists, Longman, London, 1974.

10 Apéndice B. Radios iónicos de Shannon-Prewitt (pm) H He 2 Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra Sc Y La Ac Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W Mn Tc Re Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pd Pt Cu Ag Au Zn Cd Hg B Al Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi O F Ne S Se Te Po Cl Br I At Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uuq Uuh Uuo Ar Kr Xe Rn Ln An Ce Th Pr Pa Nd U Pm Np Sm Pu Eu Am Gd Cm Tb Bk Dy Cf Ho Er Tm Yb Es Fm Md No Lu Lr Apéndice C. Potencial de ionización Primer potencial de ionización: Es la energía mínima requerida para arrancar un electrón de un átomo gaseoso neutro en su estado fundamental. E(g) E + (g) + e- H I

11 Potencial de ionización He Ne Ar Kr Xe Rn Apéndice D. Afinidades electrónicas de los elementos (ev) Es la energía liberada cuando un átomo gaseoso neutro en su estado fundamental acepta un electrón para formar un ion gaseoso negativo. E(g) + e- E (g) H AE H He 0.5 Li Na K Rb Be 0.19 Mg 0.22 Ca 1.93 Sr 1.51 Sc 0.19 Y 0.30 Ti 0.07 Zr 0.43 V 0.53 Nb 0.89 Cr 0.66 Mo 0.75 Mn < 0 Tc 1.0 Fe 0.16 Ru 1.05 Co 0.66 Rh 1.14 Ni 1.62 Pd 0.56 Cu 1.23 Ag 03 Zn 0.1 Cd 1 B 0.28 Al 0.46 Ga 0.3 In 0.3 C 1.26 Si 8 Ge 1.2 Sn 1.2 N 0.07 P As 0.80 Sb 1.05 O S Se Te F Cl Br I Ne ( 0.3) Ar ( 0.36) Kr ( 0.40) Xe ( 0.42) Cs Ba 0.48 La 0.5 Hf 0 Ta 0.14 W 0.81 Re 0.2 Os 1.1 Ir 1.56 Pt Au Hg 0.19 Tl 0.21 Pb 0.36 Bi 0.95 Po (1.8) At 2.90 Rn ( 0.42) Fr (0.456) Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uuq Uuh Uuo 4f 5f 6f 7f 8f 9f 10f 11f 12f 13f 14f 15f 16f 17f Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Fuente: J. Emsley, The Elements, Clarendon Press, Oxford, 1991.

12 Afinidad electrónica F Cl Br I Au At Electronegatividad Pauling Es una medida de la tendencia de un átomo en una molécula a atraer los electrones hacia si. energía de enlace heteropolar D(AB) = 1 D(AA) + D(BB) 2 [ ]+ AB χ A χ B = AB Mulliken (absoluta) Es el valor promedio de la primera energía de ionización y la afinidad electrónica del átomo. χ M = 1 ( 2 H I + H AE) AB = 96.48(χ A χ B ) 2 Allred-Rochow Es la fuerza electrostática que ejerce el núcleo sobre los electrones de valencia. χ AR = 3590 Z * r cov

13 Apéndice E. Electronegatividades de Pauling, Allred-Rochow y absoluta I II III IV II II II II II II I II III IV III II I 0 H He Li Na K Rb Cs Fr Be Mg Ca Sr Ba Ra Sc Y La Ac Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W Mn Tc Re Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pd Pt Cu Ag Au Zn Cd Hg B Al Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi O S Se Te Po F Cl Br I At (12.3) Ne (10.6) Ar (7.70) Kr (6.8) Xe Rn (5.1) Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo 4f 5f 6f 7f 8f 9f 10f 11f 12f 13f 14f 15f 16f 17f Ce Š 3.0 Pr Š 3.0 Nd Š 3.0 Pm 1.06 Š 3.0 Sm Š 3.1 Eu 1.01 Š 3.1 Gd Š 3.0 Tb 1.10 Š 3.2 Dy Ho Š 3.3 Er Š 3.4 Tm Š 3.4 Yb 1.06 Š 3.5 Lu Š 3.0 Th 1.1 Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Š 3.5 * Fila superior electronegatividad de Pauling (χ P), fila central electronegatividad Allred-Rochow (χ AR) y fila inferior electronegatividad absoluta (χ ABS) Fuente: J. Emsley, The Elements, Clarendon Press, Oxford, Electronegatividad F Cl Br I At

14 Números de oxidación El número de oxidación (o estado de oxidación), es un número positivo o negativo, no necesariamente entero, representa la carga que un átomo tendría si los electrones en una molécula fueran asignados a los átomos de acuerdo a las reglas siguientes: 1. La suma de los números de oxidación de todos los átomos en una molécula es igual a cero; la suma en un ion es igual a la carga del mismo (el número de oxidación es una propiedad del átomo individual y antes de ser sumado deberá ser multiplicado por el número de átomos de ese elemento presentes en la molécula o ion). 2. El número de oxidación de los elementos de los grupos 1, 2, 3f, 3 y Al es numéricamente igual al número del grupo, (+1, +2, +3, respectivamente). 3. El número de oxidación de los elementos más electronegativos será 1 si el grupo es el 17 (VIIA) y 2 si es el grupo 16 (VIA). 4. El número de oxidación del resto de los elementos se llama x y se obtiene a partir de la ecuación que resulta al aplicar la regla H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc T i V C r M n F e C o N i C u Z n Ga Ge A s Se B r K r Rb Sr Y Zr N b M o Tc Ru R h P d Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Número de oxidación 3f 4f 5f 6f 7f 8f 9f 10 f 11 f 12 f 13 f 14 f 15 f 16 f 17 f Ln La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu An Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr * es o s ox n m s co u n es p a r n en e g L o s t ad d e idaci m a ece n ri ta.

15 Tendencias periódicas Z*~ constante Disminuye H I, H AE, χ Aumenta radio atómico Aumenta Z*, H I, H AE, χ Disminuye radio atómico 3-12 Efectos relativistas B C N Au Hg Grupo Al Si P Configuración [Xe] 4f14 5d10 6s1 [Xe] 4f14 5d10 6s2 P.F. ( C) Ni Cu Zn Ga Ge As P.E. ( C) Pd Ag Cd In Sn Sb σ (ksm-1) D (g cm-1) Pt Au Hg Tl Pb Bi Potencial de ionización Entalpía de disociación IP(1) IP(2) IP(3) AE H d (M 2 ) Cu [Ar] 3d 10 4s Ag [Kr] 4d 10 5s Au [Xe] 4f 14 5d 10 6s Zn [Ar] 3d 10 4s Cd [Kr] 4d 10 5s Hg [Xe] 4f 14 5d 10 6s Cl 2 : 2.54; I 2 : 1.56 Afinidad electrónica

16 Efectos relativistas Tratamiento relativista. Ecuación de Dirac. ih Ψ = ich α x t x + α y y + α z Ψ βm 0 c 2 Ψ z Numeros cuánticos n l principal, n = 1, 2, 3,. azimutal, l = 0,1, 2, n-1 j momento angular, j = + l ±1/2 m magnético, -j, -j+1,.j-1, j r = n 2 h 2 4πε 0 m e Ze 2 m e vr = nh v = e2 Z 4πε 0 h Efectos relativistas Influencia de los efectos relativistas en los elementos pesados. Masa de un electrón que se mueve con una velocidad v: m = m o v 1- c 2 me = h = e = a 0 = 1 v r = Z (au) Para el Hg (Z = 80 ) <v r > = 0.58 c Contracción relativista a o = 4πε o el radio de Bohr: h2 me 2 el radio relativista es ~20% menor que el relativista para electrones 1s. Los niveles ns superiores sufren también contracción, pues deben ser ortogonales.

17 Efectos relativistas Contracción relativista 1 <r> rel / <r> no-rel s fd 0,95 p 0,9 Au (6s 1 ) χ P : 2.54 (halógeno) 0,85 CsAu Au 2 Hg (6s 2 ) χ P : 2.00 líquido Hg 2+ 2 Au 79 0, Z

18 Efecto del par inerte Efectos relativistas Los electrones 6s de los elementos posteriores al mercurio, Tl, Pb y Bi, son difíciles de ionizar, lo cual explica la baja estabilidad del estado de oxidación del grupo. Expansión relativista Al sufrir los orbitales s (y p) una contracción implica un apantallamiento más eficiente de los orbitales d y f, que sufren una expansión relativista. Esta expansión se ha propuesto como explicación del aumento del número de oxidación

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