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 de radio atómico ampliamente utilizadas son: radio de Van der Waals , radio iónico , radio metálico y radio covalente . Normalmente, debido a la dificultad de aislar átomos para medir sus radios por separado, el radio atómico se mide en un estado enlazado químicamente; sin embargo, los cálculos teóricos son más sencillos cuando se consideran los átomos de forma aislada. Las dependencias del entorno, la sonda y el estado conducen a una multiplicidad de definiciones.
Dependiendo de la definición, el término puede aplicarse a átomos en materia condensada , unidos covalentemente 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. [1]
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 corte brusco; estos se conocen como orbitales atómicos o nubes de electrones. Además, en la materia y las moléculas condensadas, las nubes de electrones de los átomos suelen superponerse hasta cierto punto, y algunos de los electrones pueden deambular por una gran región que abarca dos o más átomos.
Según 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 tanto, el radio de un átomo es más de 10.000 veces el radio de su núcleo (1-10 fm ), [2] y menos de 1/1000 de la longitud de onda de la luz visible (400-700 nm ).
Para muchos propósitos, los átomos se pueden modelar como esferas. Esta es sólo una aproximación burda, pero puede proporcionar explicaciones y predicciones cuantitativas 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 la forma. de moléculas . [ cita necesaria ]
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 tienen los mismos radios. [3] Sin embargo, en 1923, cuando se dispuso de más datos sobre cristales, se descubrió que la aproximación de un átomo como una esfera no necesariamente se cumple cuando se compara el mismo átomo en diferentes estructuras cristalinas. [4]
Las definiciones ampliamente utilizadas de radio atómico incluyen:
La siguiente tabla muestra los radios covalentes medidos empíricamente para los elementos, publicados por JC Slater en 1964. [9] Los valores están en picómetros (pm o 1×10 −12 m), con una precisión de aproximadamente 5 pm. El tono del cuadro varía de rojo a amarillo a medida que aumenta el radio; El gris indica falta de datos.
La forma en que varía el radio atómico al aumentar el número atómico puede explicarse por la disposición de los electrones en capas de capacidad fija. Las capas generalmente se llenan en orden de radio creciente, 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.
La creciente carga nuclear se ve parcialmente contrarrestada por el creciente número de electrones, 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 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, existe 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 tanto, el radio atómico disminuye. Abajo de los grupos, el radio atómico aumenta. Esto se debe a que hay más niveles de energía y por tanto una mayor distancia entre protones y electrones. Además, el blindaje electrónico hace que la atracción disminuya, por lo que los electrones restantes pueden alejarse más del núcleo cargado positivamente. Por tanto, el tamaño, o radio atómico, aumenta.
La siguiente tabla resume los principales fenómenos que influyen en el radio atómico de un elemento:
Los electrones en la subcapa 4f , que se llena progresivamente desde lantano ( Z = 57) hasta 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 que cabría esperar y que son casi idénticos a los radios atómicos de los elementos inmediatamente superiores. [10] Por lo tanto, el lutecio es de hecho ligeramente más pequeño que el itrio , el hafnio tiene prácticamente el mismo radio atómico (y química) que el circonio , y el tantalio tiene un radio atómico similar al niobio , y así sucesivamente. El efecto de la contracción de los lantánidos es perceptible hasta el platino ( Z = 78), después de lo cual queda enmascarado por un efecto relativista conocido como efecto del par inerte . [ cita necesaria ]
Debido a la contracción de los lantánidos, se pueden extraer las cinco observaciones siguientes:
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 escasa capacidad de protección de los electrones 3d la que afecta los radios atómicos y la química de los elementos inmediatamente después de la primera fila de metales de transición , desde el galio ( Z = 31) hasta el bromo ( Z = 35). [10]
La siguiente tabla muestra los radios atómicos calculados a partir de modelos teóricos, publicados por Enrico Clementi y otros en 1967. [11] Los valores están en picómetros (pm).