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 químicamente enlazado; sin embargo, los cálculos teóricos son más simples cuando se consideran 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 el 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 se reducen gradualmente a medida que uno se aleja del núcleo, sin un corte abrupto; estas se conocen como orbitales atómicos o nubes de electrones. Además, en la materia condensada y las moléculas, las nubes de electrones de los átomos suelen superponerse en cierta medida, y algunos de los electrones pueden vagar 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 lo 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 pueden modelarse como esferas. Esta es solo una aproximación rudimentaria, 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 la forma de las moléculas . [ cita requerida ]
En 1920, poco después de que fuera posible determinar los tamaños 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 disponía 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. [4]
Las definiciones ampliamente utilizadas del radio atómico incluyen:
La siguiente tabla muestra los radios covalentes medidos empíricamente para los elementos, según lo publicado 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 recuadro varía de rojo a amarillo a medida que aumenta el radio; el gris indica falta de datos.
La forma en que el radio atómico varía con el aumento del número atómico se puede explicar por la disposición de los electrones en capas de capacidad fija. Las capas se llenan generalmente en orden creciente de radio, ya que los electrones con carga negativa son atraídos por los protones con carga positiva en el núcleo. A medida que el número atómico aumenta 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 al aumento de la 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 externa, lo que explica el aumento repentino del radio atómico.
El aumento de la carga nuclear se ve parcialmente compensado por el aumento del número de electrones, un fenómeno conocido como apantallamiento , que explica por qué el tamaño de los átomos suele aumentar a medida que descienden por cada columna. Sin embargo, hay una excepción notable, conocida como contracción de los lantánidos : el bloque 5d de elementos es mucho más pequeño de lo que cabría esperar, debido al débil apantallamiento de los electrones 4f.
Básicamente, 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. A medida que se desciende en los grupos, el radio atómico aumenta. Esto se debe a que hay más niveles de energía y, por lo tanto, una mayor distancia entre protones y electrones. Además, el apantallamiento de electrones hace que la atracción disminuya, por lo que los electrones restantes pueden alejarse más del núcleo con carga positiva. 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:
Los electrones en la subcapa 4f , que se llena progresivamente desde el lantano ( Z = 57) hasta el iterbio ( Z = 70), no son particularmente eficaces para proteger la carga nuclear creciente de las subcapas más alejadas. Los elementos inmediatamente posteriores a los lantánidos tienen radios atómicos que son más pequeños de lo que se esperaría y que son casi idénticos a los radios atómicos de los elementos inmediatamente superiores a ellos. [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 tántalo 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 el efecto del par inerte . [ cita requerida ]
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 de una causa similar. En este caso, es la escasa capacidad de protección de los electrones 3d la que afecta a los radios atómicos y las químicas de los elementos inmediatamente posteriores a la primera fila de los 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, según lo publicado por Enrico Clementi y otros en 1967. [11] Los valores están en picómetros (pm).