Tendències periòdiques: càrrega nuclear efectiva, mida i energia

Càrrega nuclear efectiva i apantallament

Un electró extern no sent tota la càrrega nuclear Z. Els electrons més propers al nucli la cancel·len en part, i l'atracció neta es descriu amb la càrrega nuclear efectiva, Zeff = Z − S, on S és una constant d'apantallament. Els electrons de l'interior, en capes inferiors, apantallen bé. Els electrons de la mateixa capa apantallen malament, perquè de mitjana no són més a prop del nucli que l'electró considerat.

Una estimació aproximada només compta els electrons de l'interior. El sodi (Z = 11) i el clor (Z = 17) tenen tots dos 10 electrons interns, de manera que l'electró 3s del sodi sent aproximadament +1 i els electrons 3p del clor aproximadament +7. Les regles de Slater ho refinen. Per a un electró d'una subcapa ns o np, cada un dels altres electrons de les mateixes subcapes ns i np afegeix 0.35 a S (0.30 dins de la 1s), cada electró de la capa n − 1 n'afegeix 0.85 i cada electró de capes més profundes n'afegeix 1.00.

Exemple resolt 1. Per a l'electró 3s del sodi, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, de manera que Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Per a un dels electrons 3p del clor, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, de manera que Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Al llarg del període 3, cada protó afegit només es compensa en part per l'electró afegit a la mateixa capa, de manera que Zeff augmenta d'esquerra a dreta mentre n es manté en 3.

Radi atòmic i ions isoelectrònics

El radi atòmic disminueix al llarg d'un període perquè Zeff augmenta mentre els electrons externs es mantenen a la mateixa capa, de manera que són atrets cap a dins. Augmenta al llarg d'un grup, de dalt a baix, perquè cada període afegeix una capa, cosa que situa els electrons externs més lluny, mentre que Zeff canvia relativament poc. Els àtoms més grans són a la part inferior esquerra de la taula i els més petits a la part superior dreta.

Un catió és més petit que el seu àtom d'origen: perdre electrons redueix la repulsió i, en els cations dels elements representatius, sol buidar la capa externa. Un anió és més gran que el seu àtom d'origen, perquè l'electró afegit augmenta la repulsió mentre la càrrega nuclear es manté igual.

Exemple resolt 2. Ordena per radi N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ i Al³⁺. Compta primer els electrons: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 i 13 − 3 són tots iguals a 10, de manera que cada ió té la configuració del neó 1s² 2s² 2p⁶. Amb el mateix nombre d'electrons, l'única diferència és la càrrega nuclear, que puja de 7 a 13. Més protons atrauen amb més força el mateix núvol d'electrons, de manera que l'ordre és N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Primera energia d'ionització i les seves excepcions per subcapes

La primera energia d'ionització és l'energia necessària per arrencar l'electró retingut amb menys força d'un àtom gasós: X(g) → X⁺(g) + e⁻. En general augmenta al llarg d'un període, a mesura que Zeff puja i el radi disminueix, i disminueix al llarg d'un grup, de dalt a baix. El NIST dona les energies d'ionització en electronvolts per àtom; multiplicar-les per 96.485 kJ/mol per eV les converteix en unitats molars.

Convertits a partir de la NIST Atomic Spectra Database, els valors del període 2 són Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 i Ne 2080.7 kJ/mol. Dos passos van en sentit contrari. El bor és per sota del beril·li perquè el seu electró més extern és a la 2p, que té més energia i està parcialment apantallada per la parella 2s. L'oxigen és per sota del nitrogen perquè el seu quart electró 2p s'ha d'aparellar en un orbital ocupat, i la repulsió addicional fa que sigui més fàcil d'arrencar.

Els mateixos dos descensos apareixen al període 3: l'alumini (577.5 kJ/mol) és per sota del magnesi (737.7 kJ/mol), i el sofre (999.6 kJ/mol) és per sota del fòsfor (1011.8 kJ/mol). El patró repetit mostra que prové de l'estructura de subcapes i no d'un element peculiar.

Energies d'ionització successives i electrons de valència

Cada energia d'ionització successiva és més gran que l'anterior, perquè cada electró surt d'un ió cada vegada més positiu. La mida de cada salt és la informació útil. Un augment moderat vol dir que el següent electró surt de la mateixa capa de valència; un salt molt gran vol dir que ha de sortir de l'interior, que és més a prop del nucli i està molt menys apantallat.

Exemple resolt 3. El NIST dona les tres primeres energies d'ionització del magnesi com 7.646, 15.035 i 80.144 eV. Conversió: 7.646 eV × 96.485 kJ/(mol·eV) = 737.7 kJ/mol; 15.035 × 96.485 = 1450.7 kJ/mol; 80.144 × 96.485 = 7732.7 kJ/mol. La relació EI₂/EI₁ és 1450.7 / 737.7 = 1.97, però EI₃/EI₂ és 7732.7 / 1450.7 = 5.33. El gran salt després del segon electró mostra que el magnesi té dos electrons de valència, [Ne] 3s², i explica per què forma Mg²⁺ però no Mg³⁺ en la química habitual.

El sodi mostra el salt un pas abans. La seva segona energia d'ionització, 4562.4 kJ/mol, és unes 9.2 vegades la primera, 495.8 kJ/mol, perquè el segon electró ha de sortir de l'interior 2p.

Afinitat electrònica i electronegativitat

L'afinitat electrònica descriu el canvi d'energia quan un àtom gasós guanya un electró: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Els convenis de signe difereixen. Alguns llibres de text, entre ells OpenStax, donen el canvi d'energia, que és negatiu quan s'allibera energia; d'altres donen l'energia alliberada com a nombre positiu. Comprova el conveni abans de comparar valors. Excepte els gasos nobles, els àtoms cap a la dreta d'un període alliberen més energia, perquè el seu Zeff elevat atrau amb força l'electró entrant.

L'afinitat electrònica és menys regular que l'energia d'ionització. El clor allibera més energia que el fluor, aproximadament 349 kJ/mol enfront de 328 kJ/mol, segons valors del NIST Chemistry WebBook de 3.613 i 3.401 eV. L'electró afegit a la subcapa 2p compacta del fluor troba una repulsió més forta. El beril·li, el nitrogen i els gasos nobles gairebé no tenen tendència a formar anions gasosos estables, perquè l'electró afegit entraria en una subcapa superior o s'aparellaria en una de mig plena.

L'electronegativitat és la capacitat d'un àtom d'una molècula per atreure els electrons d'un enllaç. A diferència de l'energia d'ionització, no es mesura en un àtom aïllat; es dedueix a partir d'energies d'enllaç o d'altres dades, i l'escala de Pauling és la més utilitzada. El fluor és el més alt, amb aproximadament 4.0. L'electronegativitat augmenta al llarg d'un període i disminueix al llarg d'un grup, de dalt a baix, de manera que la polaritat de l'enllaç baixa de l'H–F passant per l'H–Cl i l'H–Br fins a l'H–I.

Errors habituals en explicar les tendències periòdiques

Les preguntes de tendències se solen valorar per l'explicació, no només per l'ordre.

Una explicació completa nomena la comparació (la mateixa capa o una capa diferent), indica què passa amb Zeff o amb la distància, i relaciona aquest canvi amb la força sobre l'electró en qüestió.

• Dir que un àtom és més petit perquè té més electrons. Al llarg d'un període, els electrons entren a la mateixa capa; la mida disminueix perquè Zeff augmenta.
• Explicar una tendència d'un grup només amb «més capes», sense assenyalar que Zeff canvia poc al llarg d'un grup.
• Tractar l'energia d'ionització com si augmentés estrictament al llarg d'un període. Comprova els passos del grup 2 al 13 i del grup 15 al 16.
• Comparar ions per la càrrega nuclear sense comprovar primer que són isoelectrònics.
• Barrejar els convenis de signe de l'afinitat electrònica i concloure que el nombre més negatiu és l'afinitat més petita.
• Comparar radis de taules diferents. Els radis covalents, metàl·lics i iònics es defineixen de manera diferent.
• Explicar amb allò que un àtom «vol». Els àtoms no tenen objectius; explica amb atracció, distància i repulsió.