Propiedades periódicas de los elementos

¿Crece el átomo o cuesta más arrancarle un electrón?

Los de un mismo grupo se parecen porque traen el mismo número de electrones de valencia, repartidos igual. Aun así hay gradientes. Al bajar en el grupo crece el carácter metálico: el oxígeno, arriba del grupo 16, es un gas sin color; el selenio, a media columna, es un sólido semiconductor; el polonio, abajo, es un sólido gris que conduce la electricidad. ⁴

Al recorrer un periodo de izquierda a derecha se suma un protón al núcleo y un electrón a la valencia. Al bajar en el grupo, los electrones de valencia no cambian de número, pero el número cuántico principal sube de uno en uno. De esa estructura salen tres propiedades que se repiten: el tamaño de átomos e iones, las energías de ionización y las afinidades electrónicas. ¹

El radio

El radio covalente es la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos iguales unidos por un enlace covalente. Al bajar en el grupo, $n$ sube y el electrón de fuera queda más lejos, así que el radio crece. En los halógenos la tabla da 64 pm para el flúor, 99 pm para el cloro, 114 pm para el bromo, 133 pm para el yodo y 148 pm para el astato. ¹

A lo largo del periodo el radio suele bajar, aunque el átomo tenga más electrones. La carga nuclear efectiva, $Z_{\mathrm{eff}}$, es el jalón del núcleo sobre un electrón, ya restada la repulsión de los demás. En el hidrógeno coincide con $Z$. En los demás, los electrones internos tapan parte del núcleo. Al avanzar una casilla, $Z$ sube en uno y el apantallamiento sube poco, así que $Z_{\mathrm{eff}}$ sube. Ese jalón más fuerte acerca los electrones y el radio covalente baja. En la figura, dentro de cada periodo el radio baja al crecer $Z$, por ejemplo del potasio al kriptón, y dentro de cada grupo sube. ¹

Un catión es más chico que el átomo: tiene menos electrones y los mismos protones. El aluminio mide 118 pm y el $\mathrm{Al}^{3+}$ mide 68 pm. Un anión es más grande: el azufre mide 104 pm y el sulfuro, 170 pm. A igual configuración, gana el que tiene más protones y el radio es menor. Una serie así es $\mathrm{N}^{3-}$, $\mathrm{O}^{2-}$, $\mathrm{F}^{-}$, $\mathrm{Ne}$, $\mathrm{Na}^{+}$, $\mathrm{Mg}^{2+}$ y $\mathrm{Al}^{3+}$. ¹

La ionización

La primera energía de ionización es la energía para quitar el electrón menos sujeto de un átomo gaseoso en su estado fundamental:

$$\mathrm{X}(g) \rightarrow \mathrm{X}^{+}(g) + e^{-}$$

Siempre hace falta energía: el proceso es endotérmico y el valor es positivo. El electrón de fuera es el más fácil de quitar. Por eso la primera ionización baja al bajar en el grupo y, en general, sube a lo largo del periodo. Hay baches. El boro ioniza más fácil que el berilio, aunque tenga un protón de más, porque se le quita un electrón $p$ y al berilio un electrón $s$ de la misma capa. El oxígeno ioniza un poco más fácil que el nitrógeno: al quitarle un electrón se desarma un par del $2p$ y queda un subnivel a la mitad. El azufre hace un bache parecido después del fósforo. ²

Quitar un electrón a un catión cuesta más que quitárselo al átomo neutro. Las ionizaciones sucesivas siempre suben, y hay un salto cuando se acaba la valencia y se toca un electrón interno. En el potasio la primera vale $418{,}8\,\mathrm{kJ/mol}$ y la segunda $3051{,}8\,\mathrm{kJ/mol}$. En el calcio la primera ya es $589{,}8\,\mathrm{kJ/mol}$ y el salto grande llega en la tercera, cuando se agotan los dos electrones de valencia. ²

La afinidad

La afinidad electrónica es el cambio de energía al sumar un electrón a un átomo gaseoso:

$$\mathrm{X}(g) + e^{-} \rightarrow \mathrm{X}^{-}(g)$$

Puede soltar energía (valor negativo) o pedirla (valor positivo). De izquierda a derecha suele hacerse más negativa, porque $Z_{\mathrm{eff}}$ sube. Se salen el grupo 2 (el electrón nuevo entra en un $p$ más alto), el grupo 15 (tiene que formar pareja en un $p$ a la mitad) y el grupo 18 (el electrón nuevo cae en el $n$ siguiente, con la capa ya llena). Al bajar en el grupo, muchas veces el segundo elemento tiene la afinidad más grande, no el de arriba. El cloro llega a $-348\,\mathrm{kJ/mol}$, la más alta de la tabla en ese texto, y el flúor a $-322\,\mathrm{kJ/mol}$: en el flúor el electrón entra en $n = 2$, donde la repulsión es fuerte. ³

El carácter metálico, brillo y maleabilidad incluidos, pide electrones fáciles de quitar. Por eso crece al bajar en el grupo y baja a lo largo del periodo, en el mismo sentido que el tamaño. Estas fichas no traen la escala de electronegatividad. ⁴

Ideas clave

• El radio covalente crece al bajar en el grupo, porque $n$ crece, y suele bajar a lo largo del periodo, porque $Z_{\mathrm{eff}}$ sube. ¹
• El catión es más chico que el átomo y el anión es más grande. A igual configuración, más protones significa radio menor. ¹
• La primera ionización baja en el grupo y en general sube en el periodo. El boro queda bajo el berilio y el oxígeno bajo el nitrógeno. ²
• Las ionizaciones sucesivas suben, con un salto al pasar de la valencia al interior. ²
• La afinidad es el cambio de energía al formar el anión gaseoso. Un valor negativo significa que se libera energía. ³
• El cloro ($-348\,\mathrm{kJ/mol}$) supera al flúor ($-322\,\mathrm{kJ/mol}$). El carácter metálico sigue al tamaño: crece hacia abajo y hacia la izquierda. ^{3 4}

Ejemplos resueltos

Tres halógenos

Una tabla de radios trae 64 pm, 99 pm y 133 pm para tres halógenos. Son flúor, cloro y yodo, en ese orden. El de 99 pm no puede ser el yodo, que ya va en 133 pm porque su $n$ es mayor. Entre el cloro y el kriptón, que cierra el periodo del cloro por la derecha, el radio que baja es el del kriptón: en el periodo 4 la figura muestra la bajada del potasio al kriptón, y la misma regla corre en el periodo 3. ¹

Dos primeros del grupo 1 y del 2

Quieres el que suelta más fácil el primer electrón entre potasio y calcio. El potasio está en $418{,}8\,\mathrm{kJ/mol}$ y el calcio en $589{,}8\,\mathrm{kJ/mol}$. Gana el potasio, a la izquierda. Si el ensayo pide el segundo electrón del potasio, el costo salta a $3051{,}8\,\mathrm{kJ/mol}$: ese electrón ya es interno. ²

Flúor o cloro al ganar un electrón

Los dos pueden formar anión. El cloro libera $348\,\mathrm{kJ/mol}$ y el flúor $322\,\mathrm{kJ/mol}$. No gana el de más arriba. En el flúor el electrón nuevo entra en una capa $n = 2$ apretada y la repulsión le quita ventaja. ³

Errores comunes

• Ordenar el radio de menor a mayor de izquierda a derecha. En el periodo va al revés. ¹
• Creer que la afinidad siempre crece hacia arriba del grupo. En el texto, el cloro supera al flúor. ³
• Tratar la ionización como un proceso que a veces libera energía. Quitar un electrón siempre la pide. ²
• Usar estas fichas para decir que el flúor es el más electronegativo. Esa escala no está aquí.

Cómo lo pregunta el examen

Pide ordenar radios o energías de ionización en un periodo y en un grupo, o completar la frase "al bajar en el grupo el radio __ y la electronegatividad __". Estas fichas responden la mitad del radio y dejan la electronegatividad sin escala. También definen la afinidad como el intercambio al ganar un electrón en gas, y preguntan quién libera más entre un alcalino, un alcalinotérreo y un halógeno de más abajo: el caso trabajado aquí es cloro frente a flúor.

Resumen

• El radio covalente crece hacia abajo del grupo y suele bajar hacia la derecha del periodo.
• $Z_{\mathrm{eff}}$ explica esa bajada: el núcleo jala más y el apantallamiento casi no aumenta.
• La primera ionización hace lo contrario del radio, con baches en el boro y en el oxígeno.
• El salto de una ionización sucesiva marca el paso al electrón interno.
• La afinidad del cloro es más negativa que la del flúor, y el carácter metálico crece hacia abajo y hacia la izquierda.