Propiedades periódicas

[Carga y lenguaje químico] Sección 1. Conceptos Clave [Estructura de la tabla periódica] [Propiedades periódicas] Otros conceptos [Historia de la tabla periódica] 

Una propiedad periódica es una característica de los elementos químicos que varía de manera regular y predecible a lo largo de la tabla periódica, siguiendo patrones definidos por su posición. Estas propiedades cambian de forma sistemática cuando se avanza de izquierda a derecha en un período o de arriba hacia abajo en un grupo. Ejemplos comunes incluyen el radio atómico, la energía de ionización, la electronegatividad y la afinidad electrónica. Se llaman “periódicas” porque estas variaciones se repiten de forma cíclica, reflejando la estructura interna de los átomos y la manera en que se organizan sus electrones.

Peso atómico y número atómico

El número atómico representa la cantidad de protones que posee un átomo en su núcleo, y es el criterio que define de forma única a cada elemento químico. Este número también determina la cantidad de electrones en un átomo neutro, lo que influye directamente en su comportamiento químico. Por otro lado, el peso atómico (o masa atómica relativa) es un promedio ponderado de las masas de todos los isótopos naturales de un elemento, teniendo en cuenta su abundancia relativa. Aunque en general ambos valores aumentan progresivamente a lo largo de la tabla periódica, existen excepciones. Por ejemplo, el cobalto (Z = 27) tiene un peso atómico mayor que el del níquel (Z = 28), a pesar de tener un número atómico menor. Estas irregularidades se deben a la composición isotópica y no afectan la organización fundamental de los elementos, pero son una muestra clara de que masa y número atómico no siempre crecen al unísono.

En este curso de química general usaremos el símbolo del parámetro masa molar M para referirnos también a la masa atómica o masa molecular, entendiendo que se trata de una cuestión de proporciones. Cuando hablamos de masa molar, nos referimos a la masa de 1 mol de sustancia, pero si en lugar de usar el mol como unidad abstracta, lo reemplazamos por su definición —el número de Avogadro 6.022 × 10²³— y resolvemos el cociente, obtenemos directamente el peso atómico o peso molecular promedio. Esta equivalencia nos permite evitar introducir más ecuaciones o nuevos símbolos, y así manejar definiciones sinónimas con mayor elegancia y coherencia formal, sin perder precisión conceptual. Este enfoque unificado facilita la comprensión y aplicación de los conceptos fundamentales en los cálculos químicos, manteniendo una notación consistente a lo largo del curso.

Radio atómico

El radio atómico es la distancia media entre el núcleo de un átomo y la capa más externa de electrones. Este valor tiende a aumentar a medida que nos movemos hacia abajo en un grupo de la tabla periódica, ya que se agregan más capas de electrones, pero tiende a disminuir al avanzar de izquierda a derecha en un período, debido a que los electrones se atraen más fuertemente por un mayor número de protones en el núcleo. El volumen atómico se refiere al espacio total que ocupa un átomo en una sustancia, y está relacionado con el radio atómico; cuanto mayor es el radio, mayor es el volumen atómico, ya que el átomo ocupa más espacio.

Energía de ionización, afinidad electrónica y carácter metálico

La energía de ionización es la cantidad de energía necesaria para remover un electrón de un átomo o ion en su estado gaseoso. Generalmente, esta energía aumenta de izquierda a derecha en un período, debido a que los átomos tienen más protones y atraen con mayor fuerza a los electrones, y disminuye al descender en un grupo, ya que los electrones externos están más alejados del núcleo y son más fáciles de eliminar. La afinidad electrónica es la energía liberada cuando un átomo captura un electrón, formando un ion negativo. Esta propiedad tiende a ser más negativa (libera más energía) al avanzar de izquierda a derecha en un período, ya que los átomos tienen una mayor tendencia a ganar electrones. Por otro lado, el carácter metálico se refiere a las propiedades típicas de los metales, como la conductividad eléctrica, maleabilidad y brillo metálico. El carácter metálico disminuye al moverse de izquierda a derecha en un período (los elementos se vuelven más no metálicos) y aumenta al bajar en un grupo, ya que los metales tienen más facilidad para perder electrones.

Electronegatividad

La electronegatividad es la medida de la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí mismo cuando forma un enlace químico. Se simboliza con la letra griega χ (chi). Esta propiedad aumenta de izquierda a derecha en un período y disminuye de arriba hacia abajo en un grupo de la tabla periódica. En términos prácticos, la electronegatividad es una de las propiedades periódicas más útiles para anticipar la conducta molecular de las sustancias. Exhibe un patrón creciente de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba, excluyendo a los gases nobles. El flúor ocupa el extremo superior de esta escala, siendo el elemento más electronegativo, lo que significa que tiene la mayor propensión a capturar electrones, a pesar de su baja abundancia. Curiosamente, su nombre no se utiliza en el contexto del proceso de captura de electrones.

Figura 1. Tendencias periódicas en la tabla periódica: el radio atómico aumenta hacia la izquierda y abajo, mientras que la energía de ionización, la afinidad electrónica y el carácter no metálico crecen hacia la derecha y arriba. En contraste, el carácter metálico aumenta hacia la izquierda y abajo, reflejando la relación entre estructura electrónica y propiedades químicas.

El oxígeno sigue al flúor como el siguiente elemento más electronegativo y, a diferencia del flúor, es abundante. De hecho, el término "reducción" se acuñó debido a su capacidad significativa para ganar electrones, reduciendo el número de electrones de otros átomos. En contraste, el proceso opuesto, la pérdida de electrones, se denomina oxidación, ya que el oxígeno, debido a su capacidad para capturar electrones, induce la pérdida de electrones en la mayoría de los metales y no metales. A pesar de su potente capacidad como agente oxidante, el oxígeno no es el más fuerte; el flúor posee una electronegatividad aún más intensa. Así, en la formación de fluoruro de oxígeno, cuando el oxígeno se enfrenta al flúor, es el oxígeno quien experimenta la oxidación, perdiendo electrones frente al flúor.

Número de oxidación o estado de oxidación

La propiedad periódica conocida como número de oxidación o estado de oxidación indica la carga eléctrica relativa posible o probable de un elemento →z, expresada como el cociente entre la carga eléctrica de una mol de sustancia y la constante de Faraday. Este concepto es aplicable tanto a una mol completa, que contiene aproximadamente 602 214 mil trillones de partículas (el número de Avogadro), como a una sola partícula. En un contexto atómico, el estado de oxidación representa el número de cargas que un átomo único ha cedido o adquirido al interactuar con átomos de electronegatividades diferentes.

Los números de oxidación  suelen estar codificados en las tablas periódicas para resumir la información. Por ejemplo, el estado de carga relativa basal cero existe en todos los elementos, aunque no se menciona explícitamente, ya que se asume que el lector está al tanto de esta condición. Los símbolos ± afectan solo al elemento inmediatamente a la derecha. Por ejemplo, si se muestra ±3,5, esto indica que el elemento puede asumir cargas de -3, 0, +3, +5. La ganancia de electrones se interpreta como un aumento en los valores negativos, mientras que la pérdida de electrones se asocia con un aumento en los valores positivos. Es importante destacar que los protones no participan en reacciones químicas tradicionales, reservándose para reacciones nucleares con reglas más complejas. Nos concentramos en los movimientos electrónicos en este contexto.

Simbolizaremos cualquier tipo de carga relativa con la letra latina zeta minúscula →z utilizando la notación →, aunque no se trate de un vector en sentido físico estricto. Usaremos esta convención porque el número de carga tiene dirección, ya sea positiva o negativa, lo cual justifica su representación con una flecha como notación simbólica.

Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2015). Chemistry the Central Science.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry, the central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill New York.

Chang, R., & Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.

Seager, S. L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for Today (10th ed.). Cengage Learning.

Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.