Radio atómico

El radio atómico identifica la distancia media entre dos núcleos de un mismo elemento enlazados entre sí y también se puede medir desde el núcleo hasta el último electrón. Por medio del radio atómico es posible determinar el tamaño del átomo.

Diagrama de un átomo de helio, mostrando la distribución de probabilidad de la situación de los electrones mediante un sombreado de color gris. La barra negra que se encuentra en el ángulo inferior izquierdo muestra la escala del dibujo:
1 Å (ángstrom) equivale a 100 pm (picómetros), que equivale a 100.000 fm (femtómetros).
En el centro se puede ver (fuera de escala) el núcleo del átomo, y en el extremo superior derecho se ve una ampliación del núcleo, con dos protones y dos neutrones.
La escala indica el tamaño de un fm (femtómetro).

Dependiendo de la definición, el término puede aplicarse a átomos en materia condensada, enlace covalente en moléculas, o en ionizado y estado excitado; 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 tampoco rangos claramente definidos. Más bien, sus posiciones deben describirse como distribución de probabilidad que disminuyen gradualmente a medida que uno se aleja del núcleo, sin un límite agudo; estos se denominan 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.

Según la mayoría de las definiciones, los radios de los átomos neutros aislados oscilan entre 30 y 300 pm (trillonésimas 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),​ y menos de 1/1000 de la longitud de onda de la luz visible (400-700 nm).

La forma aproximada de una molécula de etanol, CH₃CH₂OH. Cada átomo está modelado por una esfera con el radio de Van der Waals del elemento

Para muchos propósitos, los átomos pueden modelarse como esferas. Esto es sólo una aproximación burda, pero puede proporcionar explicaciones cuantitativas y predicciones para muchos fenómenos, tales como la densidad de líquidos y sólidos, la difusión de fluidos a través de tamices moleculares, la disposición de los átomos y los iones en cristales, y el tamaño y forma de las moléculas.

En 1920, poco después de que ya era posible determinar los tamaños de los átomos utilizando la difracción de rayos X, se sugirió que todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo radio.​ Sin embargo, en 1923, cuando hubo más datos disponibles, se determinó que la aproximación de un átomo como una esfera no se mantiene necesariamente cuando se compara el mismo átomo en cristales con diferentes estructuras.​

Historia

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 de un mismo elemento tienen los mismos radios.​ 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 mantiene necesariamente cuando se compara el mismo átomo en diferentes estructuras cristalinas.​

Definiciones

Forma aproximada de una molécula de etanol, CH₃CH₂OH. Cada átomo es representado por una esfera con el radio de Van der Waals correspondiente al elemento (código de colores usual: carbono en negro; oxígeno en rojo; hidrógeno en blanco).

Definiciones ampliamente usadas de radio atómico incluyen:

• Radio de Van der Waals: en principio, la mitad de la distancia mínima entre los núcleos de dos átomos del elemento que no están vinculados a la misma molécula.​
• Radio iónico: el radio nominal de los iones de un elemento en un estado de ionización específica, deducida a partir de la separación de los núcleos atómicos en sales cristalinas que incluyen el ion. En principio, la separación entre dos iones de carga opuesta adyacentes debe ser igual a la suma de sus radios iónicos.​
• Radio covalente: el radio nominal de los átomos de un elemento cuando tienen enlace covalente con otros átomos, como se deduce de la separación entre los núcleos atómicos en las moléculas. En principio, la distancia entre dos átomos que están unidos el uno al otro en una molécula (la longitud de ese enlace covalente) debe ser igual a la suma de sus radios covalentes.​
• Radio metálico: el radio nominal de átomos de un elemento cuando se unen a otros átomos por enlace metálico.^{[cita requerida]}

Bohr, N. (1913). «On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I. – Binding of Electrons by Positive Nuclei». Philosophical Magazine. 6 26 (151): 1-24. doi:10.1080/14786441308634955. Consultado el 8 de junio de 2011. </ref>​ Es aplicable únicamente a los átomos e iones con un solo electrón, como el hidrógeno, helio simplemente ionizado, y positronio. Aunque el modelo en sí ya está obsoleto, el radio de Bohr para el átomo de hidrógeno se considera una constante física importante.

Radio atómico medido empíricamente

La siguiente tabla muestra los radios covalentes medidos empíricamente para los elementos, según publicó J. C. Slater en 1964.​ Los valores están en picómetros (pm o 1×10^&menos;12 m), con una precisión de unos 5 pm. El tono del recuadro va del rojo al amarillo a medida que aumenta el radio; el gris indica falta de datos.

Grupo (columna)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Periodo] (fila)

1

H 25

He

2

Li 145

Be 105

B 85

C 70

N 65

O 60

F 50

Ne

3

Na 180

Mg 150

Al 125

Si 110

P 100

S 100

Cl 100

Ar

4

K 220

Ca 180

Sc 160

Ti 140

V 135

Cr 140

Mn 140

Fe 140

Co 135

Ni 135

Cu 135

Zn 135

Ga 130

Ge 125

As 115

Se 115

Br 115

Kr

5

Rb 235

Sr 200

Y 180

Zr 155

Nb 145

Mo 145

Tc 135

Ru 130

Rh 135

Pd 140

Ag 160

Cd 155

In 155

Sn 145

Sb 145

Te 140

I 140

Xe

6

Cs 260

Ba 215

*

Lu 175

Hf 155

Ta 145

W 135

Re 135

Os 130

Ir 135

Pt 135

Au 135

Hg 150

Tl 190

Pb 180

Bi 160

Po 190

At

Rn

7

Fr

Ra 215

**

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

*

La 195

Ce 185

Pr 185

Nd 185

Pm 185

Sm 185

Eu 185

Gd 180

Tb 175

Dy 175

Ho 175

Er 175

Tm 175

Yb 175

**

Ac 195

Th 180

Pa 180

U 175

Np 175

Pu 175

Am 175

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Propiedades

• En un mismo grupo, el radio atómico aumenta de arriba abajo con la cantidad de niveles de energía. Al ser mayor el nivel de energía, el radio atómico es mayor.
• En el mismo períodos, el radio atómico disminuye de izquierda a derecha, ya que, al ir hacia la derecha, el número atómico (Z) aumenta en una unidad al pasar de un elemento a otro, es decir, hay un aumento de carga nuclear por lo que los electrones son atraídos.
• El radio atómico puede ser covalente o metálico. La distancia entre núcleos de átomos "vecinos" en una molécula es la suma de sus radios covalentes, mientras que el radio metálico es la mitad de la distancia entre núcleos de átomos "vecinos" en cristales metálicos. Usualmente, por radio atómico se ha de entender radio covalente.

Valores del radio atómico

En la tabla siguiente figuran los valores en ángstroms publicados por J. C. Slater,​ con una incertidumbre de 0.12 Å:

H 0,25

He

Li 1,45

Be 1,05

B 0,85

C 0,7

N 0,65111

O 0,6

F 0,50111

Ne

Na 1,80111

Mg 1,50111

Al 1,257111

Si 1,12

P 1

S 1

Cl 1

Ar

K 2,2

Ca 1,8

Sc 1,6

Ti 1,407

V 1,35

Cr 1,407

Mn 1,45

Fe 1,407

Co 1,35

Ni 1,35

Cu 1,35

Zn 1,35

Ga 1,3

Ge 1,25

As 1,15

Se 1,15

Br 1,15

Kr

Rb 2,35

Sr 2

Y 1,8

Zr 1,55

Nb 1,45

Mo 1,45

Tc 1,35

Ru 1,3

Rh 1,35

Pd 1,4

Ag 1,6

Cd 1,55

In 1,55

Sn 1,45

Sb 1,45

Te 1,4

I 1,4

Xe

Cs 2,6

Ba 2,15

*

Hf 1,55

Ta 1,45

W 1,35

Re 1,35

Os 1,3

Ir 1,35

Pt 1,35

Au 1,35

Hg 1,5

Tl 1,9

Pb 1,8

Bi 1,6

Po 1,9

At

Rn

Fr

Ra 2,15

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

*

La 1,95

Ce 1,85

Pr 1,85

Nd 1,85

Pm 1,85

Sm 1,85

Eu 1,85

Gd 1,8

Tb 1,75

Dy 1,75

Ho 1,75

Er 1,75

Tm 1,75

Yb 1,75

Lu 1,75

**

Ac 1,95

Th 1,8

Pa 1,8

U 1,75

Np 1,75

Pu 1,75

Am 1,75

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Explicación de las tendencias generales

Gráfico que compara el radio atómico de elementos con números atómicos 1-100. Precisión de ±5 pm. Precisión de ±5 pm

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 cáscaras se llenan generalmente en orden de radio creciente, ya que los electrones con cargada negativa 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 parar 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 repentino aumento del radio atómico.

El aumento de la carga nuclear se contrarresta en parte con el aumento del número de electrones, fenómeno que se conoce como efecto de apantallamiento; lo que explica por qué el tamaño de los átomos suele aumentar hacia abajo 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 apantallamiento de los electrones 4f.

Esencialmente, el radio atómico disminuye a través de los periodos 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 tanto, el radio atómico disminuye. Abajo en 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 apantallamiento 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:

factor	principio	aumento con...	tienden a	efecto sobre radio
cáscaras de electrones	mecánica cuántica	números cuánticos principal y azimutal	aumentan hacia abajo cada columna	aumenta el radio atómico
carga nuclear	fuerza atractiva que actúa sobre los electrones por los protones en el núcleo	número atómico	aumento a lo largo de cada periodo (de izquierda a derecha)	disminución del radio atómico
apantallamiento	fuerza repulsiva que actúa sobre los electrones de la capa más externa por parte de los electrones internos	número de electrones en las capas internas	reduce el efecto de la carga nuclear	aumenta el radio atómico

Contracción de lantánidos

Los electrones de la 4f-subcáscara, que se llena progresivamente desde el lantano (Z = 57) hasta el iterbio (Z = 70), no son particularmente eficaces a la hora de apantallar la creciente carga nuclear de las subcáscaras más alejadas. Los elementos que siguen inmediatamente a los lantánidos tienen radios atómicos más pequeños de lo que cabría esperar y que son casi idénticos a los radios atómicos de los elementos que están inmediatamente por encima de ellos.​ 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), tras lo cual queda enmascarado por un efecto relativista conocido como efecto del par inerte.^{[cita requerida]}

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

1. El tamaño de los iones Ln³⁺ disminuye regularmente con el número atómico. Según las reglas de Fajans, la disminución del tamaño de los iones Ln³⁺ aumenta el carácter covalente y disminuye el carácter básico entre los iones Ln³⁺ y OH^- en Ln(OH)₃, hasta el punto de que Yb(OH)₃ y Lu(OH)₃ pueden disolverse con dificultad en NaOH concentrado caliente. De ahí que se dé el orden de tamaño de Ln³⁺:
   La³⁺ > Ce³⁺ > ..., ... > Lu³⁺.
2. Hay una disminución regular de sus radios iónicos.
3. Hay una disminución regular de su tendencia a actuar como agente reductor, con un aumento del número atómico.
4. La segunda y tercera fila de elementos de transición del bloque d tienen propiedades bastante parecidas.
5. En consecuencia, estos elementos aparecen juntos en los minerales naturales y son difíciles de separar.

d-contracción en bloque

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

Notas

• Diferencia entre datos empíricos y calculados: Datos empíricos significa "que se originan o se basan en la observación o la experiencia" o "se basan únicamente en la experiencia o la observación, a menudo sin tener en cuenta los datos teóricos y del sistema".​ En otras palabras, los datos se miden a través de la observación física y se examinan mediante otros experimentos que generan "resultados similares". Los datos calculados, por otro lado, se derivan de modelos teóricos. Tales predicciones son especialmente útiles para elementos cuyos radios no se pueden medir experimentalmente (por ejemplo, aquellos que no se han descubierto o que tienen una vida media demasiado corta).

Referencias

• Datos: Q483788