Proprietăți periodice

Proprietățile atomilor se repetă periodic, pentru că se repetă configurația stratului exterior. Raza atomică este jumătate din distanța dintre nucleele a doi atomi identici legați. Într-o grupă, raza crește de sus în jos, deoarece se adaugă straturi electronice; într-o perioadă a elementelor reprezentative, raza scade de la stânga la dreapta, deoarece sarcina nucleară crește în același strat și atrage mai puternic electronii. Cationul este mai mic decât atomul său, iar anionul este mai mare. Valori din tabele, în picometri: $r(\mathrm{Na})=186$ față de $r(\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+})=95$ și $r(\mathrm{Cl})=99$ față de $r(\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-})=181$. Sodiul cedează un electron și formează $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$; clorul acceptă unul și formează $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.

Variația în grupă. La grupa 1, razele atomice sunt (în pm): $\mathrm{Li}$ $152$, $\mathrm{Na}$ $186$, $\mathrm{K}$ $227$. Fiecare element are cu un strat mai mult decât precedentul, iar electronii exteriori sunt mai departe de nucleu. La halogeni, raza crește în același sens: $\mathrm{F}$ $72$, $\mathrm{Cl}$ $99$, $\mathrm{Br}$ $114$, $\mathrm{I}$ $133$.

Variația în perioadă. În perioada 3, razele scad de la $\mathrm{Na}$ la $\mathrm{Cl}$ (în pm): $186$, $160$, $143$, $118$, $110$, $103$, $99$ pentru $\mathrm{Na}$, $\mathrm{Mg}$, $\mathrm{Al}$, $\mathrm{Si}$, $\mathrm{P}$, $\mathrm{S}$, $\mathrm{Cl}$. Numărul straturilor este același, dar sarcina nucleară crește de la $+11$ la $+17$, iar atracția asupra stratului exterior se mărește.

Exemplu 1, atom și ion. Sodiul are repartiția $2,8,1$. La formarea ionului $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ dispare stratul al treilea, iar cei $10$ electroni rămași ($2,8$) sunt atrași de $11$ protoni. Raza scade de la $186$ pm la $95$ pm, adică de $186/95\approx 1,96$ ori, iar volumul ionului este de aproximativ $1,96^3\approx 7,5$ ori mai mic. Clorul are repartiția $2,8,7$ și formează $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ ($2,8,8$): numărul protonilor rămâne $17$, dar sunt $18$ electroni, iar respingerea dintre ei mărește norul electronic. Raza crește de la $99$ pm la $181$ pm, adică volumul crește de aproximativ $(181/99{)}^3\approx 6,1$ ori.

Exemplu 2, ioni izoelectronici. Ionii ${\mathrm{O}}^{2-}$, ${\mathrm{F}}^{-}$, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ și $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$ au fiecare $10$ electroni, dispuși ca la neon. Nucleele lor au $8$, $9$, $11$, $12$ și respectiv $13$ protoni. Același număr de electroni este atras de o sarcină nucleară tot mai mare, deci razele scad în această ordine: $r({\mathrm{O}}^{2-})>r({\mathrm{F}}^{-})>r(\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+})>r(\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+})>r(\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+})$. Ionii care nu sunt izoelectronici se compară după numărul de straturi: $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ ($2,8$) este mai mic decât $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ ($2,8,8$), pentru că are un strat mai puțin.

Exemplu 3, ionii dintr-o grupă și cationii dintr-o perioadă. Razele ionilor metalelor alcaline cresc ca razele atomilor, pentru că fiecare cation are cu un strat mai mult decât precedentul: $r(\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+})=60$ pm, $r(\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+})=95$ pm, $r({\mathrm{K}}^{+})=133$ pm. În perioada 3, cationii $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$, $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$ au toți repartiția $2,8$, iar razele lor scad: $95$, $65$, $50$ pm. Pentru magneziu, trecerea de la atom ($160$ pm) la ion ($65$ pm) micșorează raza de aproximativ $2,5$ ori și volumul de aproximativ $14,9$ ori, fiindcă se pierd doi electroni și tot stratul al treilea, iar $12$ protoni atrag doar $10$ electroni.

Cum se compară două specii.

1. Se numără straturile ocupate; specia cu mai multe straturi are raza mai mare.
2. La același număr de straturi, se compară sarcina nucleară: mai mulți protoni înseamnă rază mai mică.
3. Pentru un atom și ionul lui, anionul este mai mare decât atomul, iar cationul mai mic.

La admitere și la Bac, compararea razelor cere identificarea mai întâi a speciilor, apoi aplicarea celor trei pași de mai sus.

Exemplu în stilul complementului grupat. Se dau patru afirmații:

1. raza atomului de magneziu este mai mică decât a atomului de sodiu;
2. raza ionului $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ este mai mare decât a atomului de clor;
3. raza ionului ${\mathrm{O}}^{2-}$ este mai mare decât a ionului ${\mathrm{F}}^{-}$;
4. raza ionului $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ este mai mare decât a ionului $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Rezolvare: magneziul și sodiul au aceleași trei straturi, dar magneziul are $12$ protoni față de $11$, deci 1 este adevărată. Anionul are mai mulți electroni la aceeași sarcină nucleară, deci 2 este adevărată. ${\mathrm{O}}^{2-}$ și ${\mathrm{F}}^{-}$ sunt izoelectronici, iar oxigenul are mai puțini protoni, deci 3 este adevărată. $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ și $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ sunt izoelectronici, iar magneziul are mai mulți protoni, deci 4 este falsă. Sunt adevărate 1, 2 și 3. Răspuns: A.

Exemplu cu identificare prin $Z$. Speciile ${\mathrm{X}}^{2+}$ ($Z=20$), ${\mathrm{Y}}^{-}$ ($Z=17$) și ${\mathrm{W}}^{2-}$ ($Z=16$) au fiecare $18$ electroni, deci sunt izoelectronice cu argonul. Cu cât $Z$ este mai mic, cu atât raza este mai mare: $r({\mathrm{W}}^{2-})>r({\mathrm{Y}}^{-})>r({\mathrm{X}}^{2+})$. Elementele sunt calciul (X), clorul (Y) și sulful (W).

Raza atomică influențează caracterul metalic (sodiul cedează electronul mai ușor decât magneziul sau litiul) și electronegativitatea; fiecare dintre aceste proprietăți se compară separat, după regulile ei.

Greșeli frecvente

• Greșit: În grupa 1, potasiul este mai mic decât litiul deoarece are mai mulți protoni.
  Corect: potasiul are mai multe straturi, deci raza sa atomică este mai mare.
• Greșit: ${\mathrm{Na}}^{+}$ este mai mare decât $\mathrm{Na}$ fiindcă are sarcină pozitivă.
  Corect: pierde stratul exterior ocupat și devine mai mic.
• Greșit: Raza atomică crește de la sodiu la clor, deoarece crește numărul electronilor de valență.
  Corect: raza scade, pentru că sarcina nucleară crește în același strat.
• Greșit: Anionul ${\mathrm{Cl}}^{-}$ este mai mic decât atomul de clor, fiindcă are configurația stabilă a argonului.
  Corect: are același număr de protoni, dar cu un electron în plus, deci este mai mare.

Înainte și după