Tema 15. Tema 15. Clasificación periódica de los elementos

(1)

03/03/2004 Bases Físicas y Químicas del

Medio Ambiente. Tema 15 1

Tema 15

Clasificación periódica de los elementos

15.1 Configuración electrónica

15.2 El sistema periódico

15.3 Propiedades atómicas

15.4 Energía de ionización

15.1 Configuración electrónica

La ecuación de Schrödinger solamente se puede resolver exactamente para el átomo de H.

Para los átomo multielectrónicos aparece un nuevo factor: las repulsiones mutuas entre los e-_.

En estos casos el término de la energía potencial es demasiado complicado

V(r) = V(núcleo-e-_{) + V(e}-_{- e}-₎

Interacciones Coulombicas

Para resolver el problema de varias partículas en los átomos multielectrónicos se consideran los e-_{uno por uno.}

En los átomos polielectrónicos la ec de Schrödinger se resuelve de forma APROXIMADA.

Funciones de onda (ψψψψ) y energía aproximados

En los átomos multielectrónicos, los orbitales que se obtienen para los e-_{, son del mismo tipo que los obtenidos}

para el átomo de H y se llaman ORBITALES HIDROGENOIDES.

Los orbitales se van llenando de e-_{por orden creciente}

de energía.

Los orbitales de la misma subcapa (mismo n y l) tienen la misma energía.

La lista de la distribución de los electrones en los orbitales se denomina

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Por ej. Para n = 4 y l = 1, tenemos 3 orbitales p con

(2)

Reglas para obtener la configuración electrónica

1) Los electrones llenan primero los orbitales de menor energía a razón de un máximo de dos por orbital.

El orden es:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d< 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p

Regla mnemotécnica

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d

7s 7p

1 2 3 4 5 6 7 Orden de llenado

1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 3d 4d 5d 6d 2p 3p 4p 5p 6p 4f 5f

Otro método para establecer el orden de llenado de los orbitales

2) Dos electrones en un mismo orbital no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales (PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI)

Los electrones tienen todos los números cuánticos del orbital donde estén y además el suyo de espín

2 e-_{en un mismo orbital}

tienen que tener espines opuestos

03/03/2004 Bases Físicas y Químicas del 11

3) En los orbitales que tienen idéntica energía (degenerados) los electrones tienden a desaparearse lo más posible: REGLA DE HUND

Electrones apareados: espines opuestos Electrones desapareados: espines iguales

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑

Representación de las configuraciones electrónicas

Notación spdf (condensada) C 1s2_2s2_2p2 Notación spdf (expandida) C 1s2_2s2_2p x12py1 Diagrama de orbitales C 1s 2s 2p electrones apareados Electrones desapareados

(3)

Ejemplos: los tres primeros elementos del sistema periódico: H, He y Li H En ergí a 1s 2s 2p Li 1s 2s 2p He 1s 2s 2p

?

H: 1s1 _{He: 1s}2 _{¿ Li: 1s}2 _2s1_{ó 1s}2 _2p1 _?

PENETRACIÓN Y APANTALLAMIENTO

La fuerza atractiva que ejerce el núcleo sobre los e

-que les rodea depende del nº de orbitales de los -que esté rodeado el núcleo.

Los e-_{en los orbitales más próximos al núcleo}

apantalllan al núcleo de los e-_{más externos.}

El apantallamiento de e-_{reduce la eficacia de la}

atracción del núcleo hacia el e-_{mas distante. Reducen}

de forma efectiva la carga nuclear.

¿Por qué un orbital 2s tiene menos energía que un orbital 2p en los átomos polielectrónicos?

2s 2p

1s

Distancia (r)

El orbital 2s tiene una zona donde el e-_{está más}

cerca del núcleo que el orbital 2p

ψ ψ ψ ψ2_r2

2s 2p 1s PR OB A B ILID A D Distancia

Cuanto más cerca esté el e-_{del núcleo la atracción}

e- __{núcleo es mayor y la energía es menor}_⇒_⇒_⇒_⇒

Energía(2s) < Energía(2p)

El orbital 2s es más penetrante que el orbital 2p y por ello tiene menor energía

Además, los e-_{que están en orbitales poco}

penetrantes no perciben la carga nuclear completa, sino la suma de la carga nuclear y la de los electrones que están en orbitales más penetrantes.

Esto reduce la atracción electrostática núcleo-e

-y aumenta la energía del los orbitales.

Este efecto se denomina APANTALLAMIENTO.

2s _2p Distancia P R O B ABI L ID A D 3s 3p 3d

4s El orbital 4 s tiene una zona donde el e_{está mas cerca del núcleo que en el orbital}

-3 d. Por esto el 4s tiene menos energía

que el 3d. (Los e-_{ocupan, en el estado}

(4)

EJEMPLO:

Li: 1s2_2s1

3 P+

núcleo

El e-_{en el orbital 2s está bastante eficazmente}

apantallado del núcleo por los 2 e-_{del orbital ocupado}

1 s.

El e-_{en el orbital 2s siente una carga nuclear efectiva}

de alrededor de +1, y no la carga nuclear completa +3.

1s 2s 2p 3p 3s Ener gí a 4s 3d

El efecto del apantallamiento rompe la degeneración de los orbitales de la misma subcapa

*Este es el orden que se sigue cuando los orbitales comienzan a llenarse.

1s 2s 2p 3p 3s En ergí a 4s 3d Incluso: el orbital 4s (n=4) se encuentra por debajo en energías del 3d (n=3)

Ejemplos: el Li, el Be y el B Li En er gía 1s 2s 2p B 1s 2s Be 1s 2s 2p 2p Li: 1s2_2s1 _{Be: 1s}2_2s2 _{B: 1s}2_2s2_2p1

Ejemplos: el C, el N y el O: la regla de Hund

C En ergí a 1s 2s 2p O 1s 2s N 1s 2s 2p 2p C: 1s2_2s2_2p2 _{N: 1s}2_2s2_2p3 _{O: 1s}2_2s2_2p4

Siguiendo el mismo procedimiento de añadir e-_en

orbitales con mayor energía según el número atómico del elemento, podemos obtener las configuraciones electrónicas de todos los átomos en su estado fundamental (el de menor energía)

PRINCIPIO AUFBAU: “construcción progresiva” Este proceso de obtención de todas las configuraciones electrónicas se denomina

(5)

Ejemplos:

O (Z=8): 1s2 _2s2_2p4

Ti (Z=22): 1s2_2s2_2p6_3s2_3p6 _4s2_3d2

Electrones de valencia

•Son los que están en los orbitales con el número cuántico principal más alto, pero también se incluyen los de la capa anterior si son superiores en energía, ignorando los conjuntos de orbitales llenos “d” y “f”. •Son responsables de las propiedades químicas.

e-_{de valencia}

Otra definición:

Electrones de valencia: Son los e-_{implicados en el}

enlace. Los e-_{de valencia son los que no están presentes}

en el gas noble inmediatamente anterior, ignorando los conjuntos de orbitales llenos “d” y “f”.

e-_{de valencia} Hg (Z=80): [Xe] 6s2 _4f14_5d10 Au (Z=79): [Xe] 6s1 _4f14 _5d10 Pt (Z=78): [Xe] 6s1 _4f14_5d9 Ir (Z=77): [Xe] 6s2 _4f14_5d7 excepción

15.2 El sistema periódico

Es la clasificación sistemática de los elementos en función de sus propiedades químicas

La primera tabla periódica razonablemente compacta fue propuesta por Mendeleiev en 1871

En los años 20 del pasado siglo, Bohr estableció la conexión entre el sistema periódico y las

configuraciones electrónicas

PERIODO GRUPO

Todos los elementos de un mismo periodo (fila) tienen el mismo valor del número cuántico n en su capa de valencia

Todos los elementos de un mismo grupo (columna) tienen en su capa de valencia el mismo tipo de orbitales ocupados por el mismo número de electrones

Estructura de la tabla periódica _{Ejemplo: Elementos en el tercer periodo}

Na: 1s2 _2s2_2p6_3s1 Mg: 1s2 _2s2_2p6_3s2 Al: 1s2 _2s2_2p6_3s2_3p1 Si: 1s2 _2s2_2p6_3s2_3p2 P: 1s2 _2s2_2p6_3s2_3p3 S: 1s2 _2s2_2p6_3s2_3p4 Cl: 1s2 _2s2_2p6_3s2_3p5 Ar: 1s2 _2s2_2p6_3s2_3p6

Para abreviar las configuraciones se pueden expresar: Si: 1s2 _2s2_2p6_3s2_3p2 _{= [Ne] 3s}2_3p2

(6)

Ejemplo: Grupo de los metales alcalino-térreos

Be: [He] 2s2 Mg: [Ne] 3s2 Ca: [Ar] 4s2 Sr: [Kr] 5s2 Ba: [Xe] 6s2 Ra: [Rn] 7s2 [GAS NOBLE] n s2

De acuerdo con la configuración electrónica de la capa de valencia la tabla periódica se divide en bloques con propiedades químicas diferentes

BLOQUE S: Grupos 1 y 2 ⇒⇒⇒⇒nsm _{(m = 1,2)} BLOQUE P: Grupos 13,14,15,16,17,18 ⇒⇒⇒⇒ns2_npm (m=1,...,6) BLOQUE D: Grupos 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ⇒ ⇒⇒ ⇒ns2 _{(n-1) d}m_{(m= 1,..,10)}

BLOQUE F: Lantánidos y actínidos ⇒

⇒⇒

⇒ns2_{(n-2) f}m _{(m= 1,..,14)}

Bloque s (2 e-₎ _{Bloque p (6 e}_-₎

Bloque d (10 e-₎

Bloque f (14 e-₎

Gases nobles: configuración de “capa cerrada”

Los gases nobles tienen una conf. elec. en el que todas las subcapas con electrones están completas

He (Z=2) 1s2 _{Capa n=1 completa}

Ne (Z=10) [He]2s2_2p6 _{Capa n=2 completa}

Ar (Z=18) [Ne]3s2_3p6 _{Subcapas 3s y 3p completas}

Kr (Z=36) [Ar] 3d10_4s2_4p6 _{Subcapas 3d,4s y 4p}

Xe (Z=54) [Kr] 4d10_5s2_5p6 _{Subcapas 4d,5s y 5p}

Rn (Z=86) [Xe] 4f14_5d10_6s2_6p6 _{Subcapas 4f,5d, 6s} y 6p completas

Los elementos del mismo grupo tienen configuraciones electrónicas iguales en su capa de valencia.

Ejemplo:

Zn: [Ar] 4s2 _3d10_⇒_⇒_⇒_⇒_{Cd: [Kr] 5s}2_4d10 ⇒

⇒⇒

⇒Hg: [Xe] 6s2_4f14 _5d10

en la capa 6 aparecen los e-_f

En los elementos de transición no existen las

configuraciones ns2_(n-1)d4 _{(para el Cr, ni para el Mo,}

aunque si para el W) ni ns2_(n-1)d9 _{(para el Cu, Ag y Au).}

La subcapa d medio llena o llena es más estable

Cr: [Ar] 4s2_3d4 _{Cr: [Ar] 4s}1_3d5

(7)

Los metales se encuentran a la izquierda y en el centro del sistema periódico y tienden a perder e

-para obtener la configuración de capa cerrada

Ejemplo: Sc: [Ar] 4s2_3d1

Para llegar a [Kr] tendría que captar 15 e-_⇒_⇒_⇒_⇒

Es más fácil perder 3 y quedarse en [Ar]

Los no metales se encuentran a la derecha del sistema periódico y tienden a ganar e-_{para obtener}

la configuración de capa cerrada

Ejemplo:

Br: [Ar] 4s2_3d10_4p5

Para llegar a [Kr] tiene que ganar 1 e-_⇒_⇒_⇒_⇒

Es más fácil que perder 17 y quedarse en [Ar]

Formación de cationes

Se eliminan los e-_{de mayor energía (los de la última}

capa)

Na: [Ne] 3s1 _→_→_→_→ _Na+_{: [He] 2s}2_2p6

Ca: [Ar] 4s2_→_→_→_→_Ca2+_{: [Ar] = [Ne] 3s}2_3p6

Fe: [Ar] 4s2_3d6_→_→_→_→_Fe3+_{: [Ar] 3d}5

Fe: [Ar] 4s2_3d6_→_→_→_→_Fe2+_{: [Ar] 3d}6

Formación de aniones

Se añaden electrones hasta conseguir configuración de capa cerrada

N: [He] 2s2_2p3_→_→_→_→_N3-_{: [He] 2s}2_2p6

Cl: [Ne] 3s2_3p5_→_→_→_→_Cl-_{: [Ne] 3s}2_3p6

O: [He] 2s2_2p4_→_→_→_→_O2-_{: [He] 2s}2_2p6

15.3 Propiedades atómicas

Existen una serie de propiedades de los elementos que varían periódicamente y pueden explicarse mediante sus configuraciones electrónicas

Radio covalente: la mitad de la distancia entre dos átomos idénticos enlazados por un enlace covalente.

Radio iónico: es la distancia existente entre 2 núcleos de iones unidos por un enlace iónico.

Radio atómico efectivo: La distancia al núcleo que comprende el 90 % de la densidad de carga electrónica.

Radio atómico En general DISMINUYE A U M EN T A

(8)

Variación de los RADIOS ATÓMICOS en una serie de elementos de transición

Salvo algunas excepciones, los radios atómicos de los elementos de transición tienden a ser aproximadamente iguales a lo largo del periodo.

En una serie de elementos de transición, los e

-adicionales se sitúan en una capa electrónica interna,

Mn: [Ar] 3d5_4s2 _{Fe: [Ar] 3d}6_4s2 _{Co: [Ar] 3d}7_4s2

Estos e-_{contribuyen al apantallamiento del núcleo con}

respecto a los e-_externos.

Simultáneamente el nº de e-_{en la capa externa tiende a}

permanecer constante.

Mn: [Ar] 3d5_4s2 _{Fe: [Ar] 3d}6_4s2 _{Co: [Ar] 3d}7_4s2

De esta manera, el núcleo atrae a los e-_{de la capa}

externa con una fuerza aproximadamente igual a lo largo de la serie de transición.

Fe 26 protones en el núcleo 24 e-_internos Co 27 protones en el núcleo 25 e-_internos Ni 28 protones en el núcleo 26 e-_internos

Los 3 átomos tienen 2 e-_{externos que están}

sometidos a la influencia de la misma carga neta (aprox. +2).

Por ello, los radios atómicos no cambian mucho para esta serie de 3 elementos.

Al bajar dentro de un mismo grupo, los e-_{se van}

poniendo en CAPAS con número cuántico principal cada vez más grande ⇒⇒⇒⇒los últimos e-_{están cada}

vez más lejos y el radio atómico aumenta

Dentro de un mismo periodo, los e-_{se ponen en}

la MISMA capa, con lo que el radio sería parecido, pero la carga nuclear aumenta, con lo que se ven más atraídos hacia el centro⇒⇒⇒⇒el radio disminuye

Na+ Mg2+ Mg Be Li Li+ _Be2+ Na

Radio iónico: cationes

Siempre son más pequeños que el átomo del que proceden

Hay menos e-_{para los}

mismos protones del núcleo ⇒⇒⇒⇒la atracción es mayor y los e-_están

más cerca por término medio del núcleo.

Radio iónico: aniones

Siempre son más grandes que el átomo del cual proceden

F -F Cl Cl -S S 2-O O

2-Hay más e-_{para los}

mismos protones del núcleo ⇒⇒⇒⇒la atracción es menor y los e-_están

más lejos por término medio del núcleo.

(9)

15.4.-Energía de ionización

Energía necesaria para sustraer un electrón a un átomo en estado gaseoso, llevándolo desde el estado fundamental hasta el estado no ligado.

La energía necesaria para sustraer el electrón menos ligado se llama primera energía de ionización pero puede haber una segunda, tercera ... energías de ionización que son cada vez mayores.

Las energías de ionización disminuyen al aumentar los radios atómicos⇒⇒⇒⇒cuando el electrón está más lejos del núcleo hace falta menos energía para sacarlo.

Las mayores son las de gases nobles y las menores son las de los metales alcalinos.

Son siempre positivas (se aporta energía para desprender el e-_).

Número atómico He Ne Ar Kr Xe Rn

Energías de ionización sucesivas Energía de ionización del litio

primera

segunda tercera

Energía intercambiada cuando se añade un electrón a un átomo en estado gaseoso.

Afinidad electrónica

La primera afinidad electrónica es casi siempre negativa (se desprende energía) pero la segunda puede ser positiva o negativa

O(g) + e-_→_→_→_→_O-_{(g) AE(1) = -141 kJ/mol}

O-_{(g) + e}-_→_→_→_→_O2-_{(g) AE(2) = 844 kJ/mol}

Afinidad electrónica

Afinidad electrónica

(10)

En general, la afinidad electrónica TIENDE a disminuir al bajar en un mismo grupo y TIENDE a aumentar (en valor absoluto) al ir hacia la derecha en el sistema periódico

Por ej. Una tendencia fuerte a ganar un electrón, significa una gran “afinidad” por el electrón, como sucede con el F y el Cl, y se traduce en un bajo valor de AE, un valor negativo y grande en valor absoluto.

Los átomos muy electronegativos tienen tendencia a captar electrones. Los no metales suelen ser muy electronegativos

Los átomos poco electronegativos tienen tendencia a ceder electrones. Los metales suelen ser poco electronegativos

Electronegatividad

Medida de la tendencia de un átomo a captar o ceder electrones

Hay varias escalas de electronegatividad. La más usada es la de Pauling.

EN(F) = 4.0 (mayor electronegatividad) EN(Cs) = 0.7 (menor electronegatividad)

La EN aumenta hacia la derecha en un periodo y disminuye hacia abajo en un grupo