Puedes ver que a medida que aumenta el número de protones en el núcleo del ion, los electrones se acercan más al núcleo. Por lo tanto, los radios de los iones isoelectrónicos caen a través de esta serie.
Preguntas para comprobar tu comprensión
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Preguntas sobre el radio atómico e iónico
Respuestas
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Los tamaños relativos de los iones y de los átomos
Probablemente no te habrás dado cuenta, pero en ninguna parte de lo que has leído hasta ahora ha sido necesario hablar de los tamaños relativos de los iones y de los átomos de los que han salido. Tampoco (por lo que puedo ver en los programas de estudio) ninguno de los exámenes actuales en el Reino Unido para jóvenes de 16 a 18 años pide esto específicamente en sus programas de estudio.
Sin embargo, es muy común encontrar afirmaciones sobre los tamaños relativos de los iones y los átomos. Estoy bastante convencido de que estas afirmaciones son defectuosas, y me gustaría atacar el problema de frente en lugar de simplemente ignorarlo.
¡Importante!
Durante 10 años, hasta que reescribí esta sección de radios iónicos en agosto de 2010, incluí lo que hay en el cuadro de abajo. Encontrarás esta misma información y explicación en todo tipo de libros y en cualquier número de páginas web dirigidas a este nivel. Al menos un programa de estudios de nivel A que no es del Reino Unido tiene un enunciado que pregunta específicamente por esto.
Los iones no son del mismo tamaño que los átomos de los que proceden. Compara los tamaños de los iones de sodio y cloro con los tamaños de los átomos de sodio y cloro.
Los iones positivos son más pequeños que los átomos de los que proceden. El sodio es 2,8,1; el Na+ es 2,8. Ha perdido una capa entera de electrones, y los 10 electrones restantes están siendo atraídos por toda la fuerza de 11 protones.
Iones negativos
Los iones negativos son más grandes que los átomos de los que proceden. El cloro es 2,8,7; el Cl- es 2,8,8. Aunque los electrones siguen estando todos en el nivel 3, la repulsión extra producida por el electrón entrante hace que el átomo se expanda. Todavía hay sólo 17 protones, pero ahora tienen que sostener 18 electrones.
Sin embargo, un profesor experimentado me desafió sobre la explicación de los iones negativos, y eso me obligó a pensar en ello cuidadosamente por primera vez. Ahora estoy convencido de que los hechos y la explicación relativa a los iones negativos son sencillamente ilógicos.
Por lo que sé, ningún programa de estudios del Reino Unido menciona los tamaños relativos de los átomos y los iones (a partir de agosto de 2010), pero deberías comprobar los exámenes anteriores y los esquemas de calificación para ver si se han colado preguntas.
El resto de esta página discute los problemas que puedo ver, y está realmente dirigido a los profesores y otros, más que a los estudiantes.
Si usted es un estudiante, mire cuidadosamente su programa de estudios, y las preguntas de exámenes anteriores y esquemas de calificación, para averiguar si usted necesita saber sobre esto. Si no necesitas saberlo, deja de leer ahora (¡a menos que, por supuesto, te interese un poco de controversia!).
Si necesitas saberlo, entonces tendrás que aprender lo que hay en la caja, incluso si, como creo, está mal. Si te gusta que la química sea sencilla, ignora el resto de la página, porque corres el riesgo de confundirte sobre lo que necesitas saber.
Si tienes conocimientos expertos sobre este tema, y puedes encontrar algún fallo en lo que estoy diciendo, entonces ponte en contacto conmigo a través de la dirección que aparece en la página sobre este sitio.
Elegir el radio atómico correcto con el que comparar
Este es el núcleo del problema.
Los diagramas del cuadro anterior, y otros similares que encontrarás en otros lugares, utilizan el radio metálico como medida del radio atómico para los metales, y el radio covalente para los no metales. Quiero centrarme en los no metales, porque es ahí donde radica el principal problema.
Por supuesto, eres perfectamente libre de comparar el radio de un ion con cualquier medida de radio atómico que elijas. El problema viene al relacionar tu elección de radio atómico con la «explicación» de las diferencias.
Es perfectamente cierto que los iones negativos tienen radios que son significativamente mayores que el radio covalente del átomo en cuestión. Y el argumento entonces es que la razón de esto es que si añades uno o más electrones extra al átomo, las repulsiones entre electrones hacen que el átomo se expanda. Por lo tanto el ion negativo es más grande que el átomo.
Esto me parece completamente inconsistente. Si añades uno o más electrones extra al átomo, no los estás añadiendo a un átomo unido covalentemente. No se puede simplemente añadir electrones a un átomo de cloro unido covalentemente, por ejemplo – los electrones existentes del cloro se han reorganizado en nuevos orbitales moleculares que unen a los átomos.
En un átomo unido covalentemente, simplemente no hay espacio para añadir electrones adicionales.
Así que si se quiere utilizar la explicación de la repulsión de los electrones, la implicación es que se están añadiendo los electrones adicionales a un átomo crudo con una simple disposición de electrones no combinados.
En otras palabras, si usted estuviera hablando de, digamos, el cloro, usted está añadiendo un electrón extra al cloro con una configuración de 2,8,7 – no a los átomos de cloro unidos covalentemente en los que la disposición de los electrones ha sido alterada por el intercambio.
Esto significa que la comparación que deberías hacer no es con el radio covalente acortado, sino con el radio de van der Waals, mucho más grande – la única medida disponible del radio de un átomo no combinado.
Entonces, ¿qué ocurre si haces esa comparación?
Grupo 7
| Radio de van der Waals (nm) | Radio iónico de X- (nm) | |
|---|---|---|
| F | 0.147 | 0,133 |
| Cl | 0,175 | 0,181 |
| Br | 0,185 | 0,196 |
| 0,198 | 0.220 |
Grupo 6
| Radio de la X2- (nm) | ||
|---|---|---|
| O | 0.152 | 0,140 |
| S | 0,180 | 0,184 |
| Se | 0,190 | 0.198 |
| Te | 0,206 | 0.221 |
Grupo 5
| Radio de la X3- (nm) | ||
|---|---|---|
| N | 0.155 | 0,171 | P | 0,180 |
Como ya hemos comentado anteriormente, las mediciones de los radios iónicos están llenas de incertidumbres. Lo mismo ocurre con los radios de van der Waals. La tabla utiliza un conjunto particular de valores para fines de comparación. Si utilizas datos de diferentes fuentes, encontrarás diferencias en los patrones -incluyendo cuál de las especies (ion o átomo) es más grande.
Estos valores de radios iónicos son para iones de 6 coordenadas (con un ligero signo de interrogación sobre las cifras de iones de nitruro y fosfuro). Pero recordarás que dije que el radio iónico cambia con la coordinación. El nitrógeno es un ejemplo particularmente bueno de esto.
Los iones de nitruro con coordinación 4 tienen un radio de 0,146 nm. En otras palabras, si te fijas en una de las coordinaciones, el ion nitruro es más grande que el átomo de nitrógeno; en el otro caso, es más pequeño. Hacer una afirmación general de que los iones de nitruro son más grandes o más pequeños que los átomos de nitrógeno es imposible.
Entonces, ¿qué se puede decir con seguridad sobre los hechos?
Para la mayoría de los iones negativos, aunque no todos, el radio del ion es mayor que el del átomo, pero la diferencia no es ni mucho menos tan grande como se muestra si se comparan incorrectamente los radios iónicos con los radios covalentes. También hay excepciones importantes.
No veo cómo se puede hacer ninguna generalización real sobre esto, dadas las incertidumbres de los datos.
¿Y qué se puede decir con seguridad sobre la explicación?
Si hay repulsiones electrón-electrón adicionales al añadir electrones extra, deben ser bastante pequeñas. Esto se muestra particularmente si se consideran algunos pares de iones isoelectrónicos.
Se podría pensar que si la repulsión fuera un factor importante, entonces el radio de, digamos, un ion sulfuro, con dos cargas negativas sería significativamente mayor que el de un ion cloruro con sólo una. En realidad, la diferencia debería ser aún más marcada, porque los electrones del sulfuro están siendo retenidos por sólo 16 protones en lugar de los 17 del caso del cloro.
Según esta teoría de la repulsión, el ion sulfuro no debería ser sólo un poco más grande que un ion cloruro, sino que debería ser mucho más grande. El mismo efecto se muestra con el seleniuro y el bromuro, y con los iones teluro y yoduro. En el último caso, no hay prácticamente ninguna diferencia en los tamaños de los iones 2 y 1.
Así que si hay algún tipo de repulsión jugando un papel en esto, ciertamente no parece que esté jugando un papel importante.
¿Qué pasa con los iones positivos?
Si eliges usar los radios de Van der Waals o los radios metálicos como medida del radio atómico, para los metales el radio iónico es más pequeño que cualquiera de los dos, así que el problema no existe en la misma medida. Es cierto que el radio iónico de un metal es menor que su radio atómico (por muy imprecisa que sea su definición).
La explicación (al menos mientras sólo consideres los iones positivos de los grupos 1, 2 y 3) en términos de pérdida de una capa completa de electrones también es aceptable.
Conclusión
Me parece que, para los iones negativos, es completamente ilógico comparar los radios iónicos con los radios covalentes si se quiere utilizar la explicación de la repulsión de electrones.
Si se comparan los radios iónicos de los iones negativos con los radios de van der Waals de los átomos de los que proceden, las incertidumbres de los datos hacen muy difícil hacer cualquier generalización fiable.
La similitud de tamaños de los pares de iones isoelectrónicos de los grupos 6 y 7 pone en duda la importancia de la repulsión en cualquier explicación.
Habiendo pasado más de una semana trabajando en esto, y discutiendo con la aportación de algunas personas muy conocedoras, no creo que haya ninguna explicación que sea lo suficientemente sencilla para dar a la mayoría de los estudiantes de este nivel. Me parece mejor que se dejen de lado estas ideas sobre los tamaños relativos de los átomos e iones.
En este nivel, se pueden describir y explicar las tendencias periódicas simples de los radios atómicos de la forma en que lo hice más arriba en esta página, sin siquiera pensar en los tamaños relativos de los átomos e iones. Personalmente, ¡estaría más que feliz de no volver a pensar en esto durante el resto de mi vida!
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