Radio atómico

Diagrama de un átomo de helio, mostrando la densidad de probabilidad de electrones como tonos de gris.

El radio atómico de un elemento químico es una medida del tamaño de su átomo, generalmente la distancia media o típica desde el centro del núcleo hasta el electrón aislado más externo. Dado que el límite no es una entidad física bien definida, existen varias definiciones no equivalentes de radio atómico. Cuatro definiciones ampliamente utilizadas de radio atómico son: radio de Van der Waals, radio iónico, radio metálico y radio covalente. Por lo general, debido a la dificultad de aislar átomos para medir sus radios por separado, el radio atómico se mide en un estado unido químicamente; sin embargo, los cálculos teóricos son más simples cuando se consideran los átomos de forma aislada. Las dependencias del entorno, la sonda y el estado dan lugar a una multiplicidad de definiciones.

Según la definición, el término puede aplicarse a átomos en materia condensada, enlaces covalentes en moléculas o en estados ionizados y excitados; y su valor puede obtenerse mediante mediciones experimentales o calcularse a partir de modelos teóricos. El valor del radio puede depender del estado y contexto del átomo.

Los electrones no tienen órbitas definidas ni rangos claramente definidos. Más bien, sus posiciones deben describirse como distribuciones de probabilidad que disminuyen gradualmente a medida que uno se aleja del núcleo, sin un límite agudo; estos se conocen como orbitales atómicos o nubes de electrones. Además, en la materia condensada y las moléculas, las nubes de electrones de los átomos generalmente se superponen hasta cierto punto, y algunos de los electrones pueden vagar por una gran región que abarca dos o más átomos.

Bajo la mayoría de las definiciones, los radios de los átomos neutros aislados oscilan entre 30 y 300 pm (billonésimas de metro), o entre 0,3 y 3 ångströms. Por lo tanto, el radio de un átomo es más de 10 000 veces el radio de su núcleo (1 a 10 fm) y menos de 1/1000 de la longitud de onda de la luz visible (400 a 700 nm).

La forma aproximada de una molécula de etanol, CH₃CH₂Oh. Cada átomo es modelado por una esfera con el radio Van der Waals del elemento.

Para muchos propósitos, los átomos se pueden modelar como esferas. Esta es solo una aproximación tosca, pero puede proporcionar explicaciones cuantitativas y predicciones para muchos fenómenos, como la densidad de líquidos y sólidos, la difusión de fluidos a través de tamices moleculares, la disposición de átomos e iones en cristales, y el tamaño y forma de moléculas

Historia

En 1920, poco después de que fuera posible determinar el tamaño de los átomos mediante cristalografía de rayos X, se sugirió que todos los átomos del mismo elemento tenían el mismo radio. Sin embargo, en 1923, cuando se dispuso de más datos sobre cristales, se descubrió que la aproximación de un átomo como una esfera no se cumple necesariamente cuando se compara el mismo átomo en diferentes estructuras cristalinas.

Definiciones

Las definiciones ampliamente utilizadas de radio atómico incluyen:

• Van der Waals radius: En la definición más simple, la mitad de la distancia mínima entre los núcleos de dos átomos del elemento que no están obligados de otra manera por interacciones covalentas o metálicas. El radio Van der Waals puede definirse incluso para elementos (como metales) en los que las fuerzas de Van der Waals están dominadas por otras interacciones. Debido a que las interacciones de Van der Waals surgen a través de fluctuaciones cuánticas de la polarización atómica, la polaridad (que generalmente se puede medir o calcular más fácilmente) puede utilizarse para definir el radio Van der Waals indirectamente.

• Radius iónico: el radio nominal de los iones de un elemento en un estado específico de ionización, deducido del espaciado de núcleos atómicos en sales cristalinas que incluyen ese ión. En principio, el espaciamiento entre dos iones cargados opuestamente (la longitud del vínculo iónico entre ellos) debe igualar la suma de su radio iónico.
• Radius covalente: el radio nominal de los átomos de un elemento cuando covalentemente ligados a otros átomos, como deducido de la separación entre los núcleos atómicos en moléculas. En principio, la distancia entre dos átomos que están vinculados entre sí en una molécula (la longitud de ese vínculo covalente) debe igualar la suma de su radio covalente.
• Radius metálico: el radio nominal de átomos de un elemento cuando se une a otros átomos por enlaces metálicos.
• Bohr radius: el radio de la órbita electrones de menor energía predicho por el modelo Bohr del átomo (1913). Sólo se aplica a los átomos y iones con un solo electrón, como el hidrógeno, el helio ionizado cantar, y el positronio. Aunque el modelo en sí es obsoleto, el radio Bohr para el átomo de hidrógeno sigue siendo considerado como una constante física importante.

Radio atómico medido empíricamente

La siguiente tabla muestra radios covalentes medidos empíricamente para los elementos, según lo publicado por J. C. Slater en 1964. Los valores están en picómetros (pm o 1×10⁻¹² m), con una precisión de aproximadamente 5 pm. El tono de la caja varía de rojo a amarillo a medida que aumenta el radio; gris indica falta de datos.

Explicación de las tendencias generales

Un gráfico que compara el radio atómico de elementos con números atómicos 1–100. Precisión de ±5 pm.

La forma en que el radio atómico varía con el aumento del número atómico puede explicarse por la disposición de los electrones en capas de capacidad fija. Las capas generalmente se llenan en orden creciente de radio, ya que los electrones cargados negativamente son atraídos por los protones cargados positivamente en el núcleo. A medida que aumenta el número atómico a lo largo de cada fila de la tabla periódica, los electrones adicionales van a la misma capa más externa; cuyo radio se contrae gradualmente, debido a la creciente carga nuclear. En un gas noble, la capa más externa está completamente llena; por lo tanto, el electrón adicional del siguiente metal alcalino irá a la siguiente capa exterior, lo que explica el aumento repentino del radio atómico.

El aumento de la carga nuclear se contrarresta en parte con el aumento del número de electrones, un fenómeno que se conoce como blindaje; lo que explica por qué el tamaño de los átomos suele aumentar en cada columna. Sin embargo, hay una excepción notable, conocida como la contracción de los lantánidos: el bloque de elementos 5d es mucho más pequeño de lo que cabría esperar, debido al débil blindaje de los electrones 4f.

Esencialmente, el radio atómico disminuye a lo largo de los períodos debido a un número creciente de protones. Por lo tanto, hay una mayor atracción entre los protones y los electrones porque las cargas opuestas se atraen y más protones crean una carga más fuerte. La mayor atracción acerca los electrones a los protones, disminuyendo el tamaño de la partícula. Por lo tanto, el radio atómico disminuye. Abajo de los grupos, aumenta el radio atómico. Esto se debe a que hay más niveles de energía y por lo tanto una mayor distancia entre protones y electrones. Además, el blindaje de electrones hace que la atracción disminuya, por lo que los electrones restantes pueden alejarse más del núcleo cargado positivamente. Por lo tanto, el tamaño, o radio atómico, aumenta.

La siguiente tabla resume los principales fenómenos que influyen en el radio atómico de un elemento:

Contracción de los lantánidos

Los electrones en la subcapa 4f, que se llena progresivamente de lantano (Z = 57) a iterbio (Z = 70), no son particularmente efectivos para proteger la creciente carga nuclear de las subcapas más alejadas. Los elementos que siguen inmediatamente a los lantánidos tienen radios atómicos que son más pequeños de lo esperado y que son casi idénticos a los radios atómicos de los elementos inmediatamente superiores. Por lo tanto, el lutecio es, de hecho, un poco más pequeño que el itrio, el hafnio tiene prácticamente el mismo radio atómico (y química) que el zirconio, y el tantalio tiene un radio atómico similar al del niobio, y así sucesivamente. El efecto de la contracción de los lantánidos es perceptible hasta platino (Z = 78), después de lo cual queda enmascarado por un efecto relativista conocido como efecto de par inerte.

Debido a la contracción de los lantánidos, se pueden extraer las 5 observaciones siguientes:

1. El tamaño de Ln³⁺ iones disminuye regularmente con número atómico. Según las reglas de Fajans, disminución del tamaño de Ln³⁺ iones aumenta el carácter covalente y disminuye el carácter básico entre Ln³⁺ y OH⁻ iones en Ln(OH)₃, al punto que Yb(OH)₃ and Lu(OH)₃ se puede disolver con dificultad en NaOH concentrado caliente. De ahí el orden del tamaño de Ln³⁺ se da:
   La³⁺ ■ Ce³⁺ ¿Qué? Lu³⁺.
2. Hay una disminución regular en su radio iónico.
3. Hay una disminución regular en su tendencia a actuar como agente de reducción, con un aumento en el número atómico.
4. Las segundas y terceras filas de elementos de transición d-block están muy cerca de propiedades.
5. En consecuencia, estos elementos ocurren juntos en minerales naturales y son difíciles de separar.

Contracción del bloque D

La contracción del bloque d es menos pronunciada que la contracción de los lantánidos, pero surge por una causa similar. En este caso, es la pobre capacidad de protección de los electrones 3d lo que afecta los radios atómicos y la química de los elementos que siguen inmediatamente a la primera fila de los metales de transición, desde el galio (Z = 31) hasta bromo (Z = 35).

Radio atómico calculado

La siguiente tabla muestra los radios atómicos calculados a partir de modelos teóricos, según lo publicado por Enrico Clementi y otros en 1967. Los valores están en picómetros (pm).