¿Qué es una tendencia de densidad en la tabla periódica? Aprendiendo y Estudiando para siempre

Las tendencias periódicas son patrones específicos que están presentes en la tabla periódica que ilustran diferentes aspectos de un determinado elemento, incluido su tamaño y sus propiedades electrónicas. Las principales tendencias periódicas incluyen: electronegatividad, energía de ionización, afinidad electrónica, radio atómico, punto de fusión y carácter metálico. Las tendencias periódicas, que surgen de la disposición de la tabla periódica, proporcionan a los químicos una herramienta invaluable para predecir rápidamente las propiedades de un elemento. Estas tendencias existen debido a la estructura atómica similar de los elementos dentro de sus respectivas familias o períodos de grupo, y debido a la naturaleza periódica de los elementos.

Tendencias de electronegatividad

La electronegatividad puede entenderse como una propiedad química que describe la capacidad de un átomo para atraer y unirse con electrones. Debido a que la electronegatividad es una propiedad cualitativa, no existe un método estandarizado para calcular la electronegatividad. Sin embargo, la escala más común para cuantificar la electronegatividad es la escala de Pauling (Tabla A2), llamada así por el químico Linus Pauling. Los números asignados por la escala de Pauling son adimensionales debido a la naturaleza cualitativa de la electronegatividad. Los valores de electronegatividad para cada elemento se pueden encontrar en ciertas tablas periódicas. A continuación se proporciona un ejemplo.

Figura 1: Tabla periódica de valores de electronegatividad.

La electronegatividad mide la tendencia de un átomo a atraer y formar enlaces con electrones. Esta propiedad existe debido a la configuración electrónica de los átomos. La mayoría de los átomos siguen la regla del octeto (tener la valencia, o capa externa, se compone de 8 electrones). Debido a que los elementos en el lado izquierdo de la tabla periódica tienen menos de una capa de valencia media llena, la energía requerida para ganar electrones es significativamente mayor en comparación con la energía requerida para perder electrones. Como resultado, los elementos en el lado izquierdo de la tabla periódica generalmente pierden electrones al formar enlaces. A la inversa, los elementos en el lado derecho de la tabla periódica son más eficientes energéticamente al obtener electrones para crear una capa de valencia completa de 8 electrones. La naturaleza de la electronegatividad se describe efectivamente de esta manera: cuanto más inclinado está un átomo a ganar electrones, más probable es que el átomo atraiga a los electrones hacia sí mismo.

De izquierda a derecha a lo largo de un período de elementos, la electronegatividad aumenta. Si la capa de valencia de un átomo está menos de la mitad llena, se requiere menos energía para perder un electrón que para ganar uno. A la inversa, si la cáscara de valencia está más que medio llena, es más fácil colocar un electrón en la cáscara de valencia que donar uno.
De arriba a abajo, un grupo disminuye la electronegatividad. Esto se debe a que el número atómico aumenta un grupo hacia abajo y, por lo tanto, hay una mayor distancia entre los electrones de valencia y el núcleo, o un radio atómico mayor.
Las excepciones importantes de las reglas anteriores incluyen los gases nobles, lantánidos y actínidos . Los gases nobles poseen una capa de valencia completa y no suelen atraer electrones. Los lantánidos y los actínidos poseen una química más complicada que generalmente no sigue ninguna tendencia. Por lo tanto, los gases nobles, los lantánidos y los actínidos no tienen valores de electronegatividad.
En cuanto a los metales de transición, aunque tienen valores de electronegatividad, hay poca variación entre ellos a lo largo del período y hacia arriba y hacia abajo de un grupo. Esto se debe a que sus propiedades metálicas afectan su capacidad para atraer electrones tan fácilmente como los otros elementos.

De acuerdo con estas dos tendencias generales, el elemento más electronegativo es el flúor , con 3.98 unidades de Pauling.

Figura 2. Tabla periódica que muestra la tendencia de electronegatividad.

Tendencias de energía de ionización

La energía de ionización es la energía requerida para eliminar un electrón de un átomo neutro en su fase gaseosa. Conceptualmente, la energía de ionización es lo opuesto a la electronegatividad. Cuanto más baja es esta energía, más fácilmente se convierte el átomo en un catión. Por lo tanto, cuanto más alta es esta energía, más improbable es que el átomo se convierta en un catión. Generalmente, los elementos en el lado derecho de la tabla periódica tienen una energía de ionización más alta porque su capa de valencia está casi llena. Los elementos en el lado izquierdo de la tabla periódica tienen bajas energías de ionización debido a su disposición a perder electrones y convertirse en cationes. Por lo tanto, la energía de ionización aumenta de izquierda a derecha en la tabla periódica.

Figura 3: Gráfico que muestra la energía de ionización de los elementos del hidrógeno al argón

Otro factor que afecta a la energía de ionización es el blindaje de electrones . El blindaje electrónico describe la capacidad de los electrones internos de un átomo para proteger su núcleo cargado positivamente de sus electrones de valencia. Cuando se mueve a la derecha de un período, la cantidad de electrones aumenta y la fuerza del blindaje aumenta. Como resultado, es más fácil que los electrones de la carcasa de valencia se ionicen y, por lo tanto, la energía de ionización disminuye en un grupo. El blindaje de electrones también se conoce como screening .

Nota

La energía de ionización de los elementos dentro de un período generalmente aumenta de izquierda a derecha. Esto se debe a la estabilidad de la cáscara de valencia.
La energía de ionización de los elementos dentro de un grupo generalmente disminuye de arriba a abajo. Esto se debe al blindaje de electrones.
Los gases nobles poseen energías de ionización muy altas debido a sus carcasas de valencia completas, como se indica en el gráfico. Tenga en cuenta que el helio tiene la energía de ionización más alta de todos los elementos.

Algunos elementos tienen varias energías de ionización; estas energías variables se conocen como la primera energía de ionización, la segunda energía de ionización, la tercera energía de ionización, etc. La primera energía de ionización es la energía requerida para eliminar el electrón de energía más externo o más alta, la segunda energía de ionización es la energía requerida para retire cualquier electrón posterior de alta energía de un catión gaseoso, etc. A continuación se muestran las ecuaciones químicas que describen la primera y la segunda energía de ionización:

Primera energía de ionización:

X (g) → X + (g) + e− (1.1) [matemáticas] (1.1) X (g) → X (g) ++ e – [/ math]

Segunda energía de ionización:

X + (g) → X2 + (g) + e− (1.2) [math] (1.2) X (g) + → X (g) 2 ++ e – [/ math]

En general, cualquier energía de ionización posterior (2ª, 3ª, etc.) sigue la misma tendencia periódica que la primera energía de ionización.

Figura 4. Tabla periódica que muestra la tendencia de la energía de ionización

Las energías de ionización disminuyen a medida que aumentan los radios atómicos. Esta observación se ve afectada por n [math] n [/ math] (el número de principio cuántico) y Zeff [math] Zeff [/ math] (basado en el número atómico y muestra cuántos protones se ven en el átomo) en la ionización Energía (I). La relación está dada por la siguiente ecuación:

I = RHZ2effn2 (1.3) [math] (1.3) I = RHZeff2n2 [/ math]

A lo largo de un período, Zeff [math] Zeff [/ math] aumenta yn (número cuántico principal) sigue siendo el mismo , por lo que la energía de ionización aumenta .
En un grupo, n [math] n [/ math] aumenta y Zeff [math] Zeff [/ math] aumenta ligeramente; La energía de ionización disminuye .

Tendencias de afinidad electrónica

Como su nombre lo indica, la afinidad electrónica es la capacidad de un átomo para aceptar un electrón. A diferencia de la electronegatividad, la afinidad electrónica es una medida cuantitativa del cambio de energía que se produce cuando se agrega un electrón a un átomo de gas neutro. Cuanto más negativo sea el valor de afinidad de electrones, mayor será la afinidad de un átomo por los electrones.

Figura 5 . Tabla periódica que muestra la tendencia de afinidad electrónica

La afinidad electrónica generalmente disminuye un grupo de elementos porque cada átomo es más grande que el átomo por encima de él (esta es la tendencia del radio atómico, que se discute más adelante). Esto significa que un electrón agregado está más alejado del núcleo del átomo en comparación con su posición en el átomo más pequeño. Con una distancia mayor entre el electrón cargado negativamente y el núcleo cargado positivamente, la fuerza de atracción es relativamente más débil. Por lo tanto, la afinidad de electrones disminuye. Moviéndose de izquierda a derecha a lo largo de un período, los átomos se vuelven más pequeños a medida que las fuerzas de atracción se hacen más fuertes. Esto hace que el electrón se acerque más al núcleo, lo que aumenta la afinidad del electrón de izquierda a derecha a lo largo de un período.

Nota

La afinidad electrónica aumenta de izquierda a derecha dentro de un período. Esto es causado por la disminución en el radio atómico.
La afinidad de electrones disminuye de arriba a abajo dentro de un grupo. Esto es causado por el aumento en el radio atómico.

Tendencias del radio atómico

El radio atómico es la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos (al igual que un radio es la mitad del diámetro de un círculo). Sin embargo, esta idea se complica por el hecho de que no todos los átomos están normalmente unidos de la misma manera. Algunos están unidos por enlaces covalentes en las moléculas, algunos se atraen entre sí en cristales iónicos y otros se mantienen en cristales metálicos. Sin embargo, es posible que una gran mayoría de elementos formen moléculas covalentes en las que dos átomos iguales se mantienen unidos por un solo enlace covalente. Los radios covalentes de estas moléculas a menudo se denominan radios atómicos. Esta distancia se mide en picómetros. Los patrones de radio atómico se observan a lo largo de la tabla periódica.

El tamaño atómico disminuye gradualmente de izquierda a derecha en un período de elementos. Esto se debe a que, dentro de un período o familia de elementos, todos los electrones se agregan a la misma capa. Sin embargo, al mismo tiempo, se están agregando protones al núcleo, lo que lo hace más cargado positivamente. El efecto del aumento del número de protones es mayor que el del aumento del número de electrones; por lo tanto, hay una mayor atracción nuclear. Esto significa que el núcleo atrae a los electrones con mayor fuerza, acercando la capa del átomo al núcleo. Los electrones de valencia se mantienen más cerca del núcleo del átomo. Como resultado, el radio atómico disminuye.

Figura 6 : Tabla periódica que muestra la tendencia del radio atómico

Abajo de un grupo, el radio atómico aumenta. Los electrones de valencia ocupan niveles más altos debido al número cuántico creciente (n). Como resultado, los electrones de valencia están más alejados del núcleo a medida que ‘n’ aumenta. El blindaje electrónico evita que estos electrones externos sean atraídos hacia el núcleo; por lo tanto, se mantienen sueltos, y el radio atómico resultante es grande.

Nota

El radio atómico disminuye de izquierda a derecha dentro de un período. Esto se debe al aumento en el número de protones y electrones a lo largo de un período. Un protón tiene un efecto mayor que un electrón; así, los electrones son atraídos hacia el núcleo, resultando en un radio más pequeño.
El radio atómico aumenta de arriba a abajo dentro de un grupo. Esto es causado por el blindaje de electrones.

Tendencias del punto de fusión

Los puntos de fusión son la cantidad de energía requerida para romper un enlace (s) para cambiar la fase sólida de una sustancia a un líquido. En general, cuanto más fuerte es el enlace entre los átomos de un elemento, más energía se requiere para romper ese enlace. Debido a que la temperatura es directamente proporcional a la energía, una alta energía de disociación de enlace se correlaciona con una alta temperatura. Los puntos de fusión son variados y generalmente no forman una tendencia distinguible en la tabla periódica. Sin embargo, se pueden sacar ciertas conclusiones de la gráfica a continuación.

Los metales generalmente poseen un alto punto de fusión .
La mayoría de los no metales poseen bajos puntos de fusión .
El carbono no metálico posee el punto de ebullición más alto de todos los elementos . El boro semi-metal también posee un alto punto de fusión.

Figura 7. Tabla de puntos de fusión de varios elementos

Tendencias de caracteres metálicos

El carácter metálico de un elemento se puede definir como la facilidad con que un átomo puede perder un electrón. De derecha a izquierda a lo largo de un período, el carácter metálico aumenta porque la atracción entre el electrón de valencia y el núcleo es más débil, lo que permite una pérdida más fácil de los electrones. El carácter metálico aumenta a medida que desciendes un grupo porque el tamaño atómico aumenta. Cuando el tamaño atómico aumenta, las capas externas están más lejos. El principio del número cuántico aumenta y la densidad media de los electrones se aleja del núcleo. Los electrones de la capa de valencia tienen menos atracción por el núcleo y, como resultado, pueden perder electrones más fácilmente. Esto provoca un aumento en el carácter metálico.

Nota

Las características metálicas disminuyen de izquierda a derecha a lo largo de un período. Esto es causado por la disminución en el radio (causado por Zeff, como se indicó anteriormente) del átomo que permite que los electrones externos se ionicen más fácilmente.
Las características metálicas aumentan un grupo hacia abajo. El blindaje de electrones hace que el radio atómico aumente, por lo que los electrones externos se ionizan más fácilmente que los electrones en átomos más pequeños.
El carácter metálico se relaciona con la capacidad de perder electrones, y el carácter no metálico se relaciona con la capacidad de ganar electrones.

Otra forma más fácil de recordar la tendencia del carácter metálico es que al moverse hacia la izquierda y hacia abajo hacia la esquina inferior izquierda de la tabla periódica, el carácter metálico aumenta hacia los Grupos 1 y 2, o hacia los grupos de metales alcalinos y alcalinotérreos. Del mismo modo, al moverse hacia arriba y hacia la derecha hacia la esquina superior derecha de la tabla periódica, el carácter metálico disminuye porque pasa por el lado derecho de la escalera, que indica los no metales . Estos incluyen el Grupo 8, los gases nobles y otros gases comunes como el oxígeno y el nitrógeno.

En otras palabras:
Mover a la izquierda a través del período y hacia abajo del grupo: aumentar el carácter metálico (en dirección a metales alcalinos y alcalinos)
Mueva a la derecha a través del período y suba el grupo: disminuya el carácter metálico (dirigiéndose hacia no metales como gases nobles)