Tamaño relativo de los átomos de los elementos químicos

El tamaño es una característica importante de los átomos que forman los distintos elementos presentes en la tabla periódica. Permite entender muchas características de los mismos, tales como la tendencia del hidrógeno y del helio a escaparse de los recipientes que los contienen, o la incapacidad de ciertos iones para pasar por algunos canales iónicos en la pared celular.

Sin embargo, cuando nos imaginamos a un átomo como formado por un núcleo muy denso y pequeño rodeado por una nube de electrones aún más pequeños que se mueven a su alrededor, resulta difícil entender lo que significa “tamaño” en el caso de un átomo. Esto se debe a que los átomos están hechos casi enteramente de espacio vacío y estamos acostumbrados a entender el tamaño como algo asociado a cuerpos sólidos que podemos ver y manipular con nuestras manos.

En vista de lo anterior, para poder explicar el tamaño relativo de los átomos de los elementos químicos, debemos comenzar por definir dicho tamaño desde el punto de vista químico.

Varias formas de ver el tamaño de los átomos

Definir el tamaño de algo parte del conocimiento de su forma y de sus dimensiones. En el caso de los átomos, por lo general asumimos que estos tienen forma de esfera, a pesar de que no es estrictamente cierto. Sin embargo, resulta práctico asumirlo así.

Al considerarlos como esferas, el tamaño de los átomos queda determinado por su radio o su diámetro. Cuando pensamos en el radio de un átomo, lo primero que nos viene a la mente es la distancia entre el centro del átomo o su núcleo, y el borde exterior de su nube electrónica. El problema es que la nube electrónica no tiene un borde definido (así como las nubes no tienen una superficie externa bien definida).

Esto implica que definir el radio sea complicado y un tanto ambiguo. Además, también supone que medir el radio de un átomo individual sea prácticamente imposible. Entonces, se han desarrollado algunas maneras de determinar o estimar los radios de los átomos basándose en datos experimentales.

Hay tres formas principales para expresar el tamaño de los átomos:

• El radio atómico o radio metálico.
• El radio covalente.
• El radio iónico.

Los tres conceptos son diferentes entre sí y se aplican a casos distintos. Por esta razón, no siempre es posible comparar directamente el tamaño de dos átomos entre sí. Además, el tamaño cambia según se trate de un átomo neutro o de un ion. En este último caso, el tamaño también varía en función del valor y del signo de la carga eléctrica.

Radio atómico o radio metálico

El concepto más simple de entender es el de radio atómico. El radio atómico de un elemento se define como la mitad de la distancia promedio entre dos átomos adyacentes en un cristal del elemento puro. Esta distancia se puede determinar fácilmente por medio de técnicas de difracción de rayos-X.

El concepto de radio atómico aplica principalmente a los metales, que son los únicos elementos que forman estructuras cristalinas en las que cada átomo del metal neutro es exactamente igual al que tiene al lado. Los no metales, en cambio, no forman por lo general el mismo tipo de sólidos. Es por esta razón que al radio atómico muchas veces se le denomina radio metálico.

Radio covalente

A excepción de los gases nobles, la mayoría de los no metales en estado puro forman bien sea moléculas discretas o sólidos con estructuras de redes covalentes extensas. Por ejemplo, el oxígeno elemental, este está formado por moléculas diatómicas de oxígeno (O₂), así que, en un cristal de oxígeno sólido, los átomos de oxígeno enlazados covalentemente en cada molécula estarán más cerca los unos de los otros que de los átomos de moléculas adyacentes.

Por otro lado, casos como el carbono, cuyo alótropo más estable es el grafito, forman estructuras en capas en las que los átomos dentro de una capa están enlazados covalentemente entre sí, mientras que no están enlazados con los átomos de las capas adyacentes.

Lo anterior hace que definir el radio en función de la distancia entre dos núcleos adyacentes resulte ambiguo. En estos casos, se define el tamaño como la mitad de la distancia entre dos átomos iguales enlazados covalentemente entre sí. A este radio se le denomina radio covalente, y es el de uso más común para establecer el tamaño de los átomos no metálicos.

Por otro lado, el radio covalente es un concepto que tiene una mayor aplicabilidad que el radio metálico, ya que nos permite asignarles un radio a los átomos que forman parte de una molécula o de un compuesto covalente. Además, al conocer el radio covalente de un átomo, podemos estimar el radio covalente de otro midiendo la longitud de un enlace covalente formado entre los dos.

Por lo general, el radio covalente de un átomo es ligeramente menor que su respectivo radio metálico.

Radio iónico

Las dos medidas del tamaño atómico mencionadas en los apartados anteriores pueden aplicarse únicamente para átomos neutros o para átomos que forman parte de moléculas covalentes. Sin embargo, muchos elementos que poseen electronegatividades marcadamente distintas se combinan para formar compuestos iónicos en los cuales ganan o pierden electrones, convirtiéndose así en aniones o cationes, respectivamente.

En estos casos, podemos establecer el tamaño relativo de los átomos al comparar los tamaños de sus iones, es decir, su radio iónico.

Cuando tenemos dos iones distintos enlazados entre sí y conocemos la distancia que los separa, suponemos que esta distancia será la suma de los dos radios iónicos. Sin embargo, ¿cómo podemos saber que fracción de esta distancia corresponde a un u otro ion? Es evidente que, para determinar el radio de cualquiera de los dos iones, necesitamos el valor del radio del otro. Esto quiere decir que solo necesitamos determinar el radio de un catión y un anión cualesquiera.

Luego, podemos utilizar el radio del catión para determinar el radio de cualquier otro anión que deseemos, mientras que podemos utilizar el radio del anión para determinar el radio de cualquier otro catión.

Esto se logró por primera vez a partir de los datos cristalográficos del yoduro de litio, un compuesto iónico formado por un catión muy pequeño y un anión muy grande.

En este compuesto, la estructura cristalina está formada por una red de iones yoduro (I^– ) en la que cada anión está en contacto directo con otros seis yoduros, mientras que los iones litio (Li⁺) se ubican en las cavidades que se forman cada cuatro yoduros, estando en contacto directo con todos estos. Así, se puede determinar el radio iónico del yoduro como la mitad de la distancia entre dos núcleos de yodo adyacentes, mientras que la distancia entre el núcleo de litio y el del yodo permite determinar el radio iónico del litio restándole el del yoduro.

Tendencia periódica del radio atómico

Como se mencionó al principio, el tamaño atómico es una propiedad periódica de la materia. Es decir, varía de manera predecible a lo largo de un período y a lo largo de un grupo.

A lo largo del período, tanto el radio atómico como el radio covalente disminuyen de izquierda a derecha. Lo mismo sucede con los radios iónicos de iones que poseen la misma carga eléctrica. La razón detrás de este comportamiento es la carga nuclear efectiva, la cual aumenta a medida que aumenta el número atómico.

Por otro lado, al pasar de un período a otro dentro de un mismo grupo (es decir, al bajar a lo largo de un grupo), también aumenta la carga nuclear efectiva, pero los electrones más externos (es decir, los electrones de valencia) se ubican en capas electrónicas de niveles de energía cada vez mayores. Esto implica que las capas de valencia están cada vez más alejadas del núcleo, por lo que el radio del átomo también aumenta.

Variación del radio iónico con la carga

Además de la variación periódica de los radios atómicos, covalentes e iónicos, los radios iónicos también dependen fuertemente de la carga eléctrica. Cada electrón adicional que se introduce en un átomo para convertirlo en un anión e incrementar su carga negativa, aumenta la repulsión electrostática entre los electrones de la capa de valencia, haciendo que la nube electrónica se expanda y aumentando el radio iónico.

Lo contrario sucede con los cationes. Cada electrón que se retira de un átomo para convertirlo en un catión y aumentar la carga positiva, reduce la repulsión entre los electrones, aumenta la carga nuclear efectiva y por lo tanto los electrones son atraídos con más fuerza por el núcleo. El efecto es la disminución del radio iónico con el aumento de la carga positiva.

Ejemplo

Si comparamos los radios de los distintos iones que puede formar el cloro, el orden de los radios iónicos será:

Cl⁷⁺ < Cl⁵⁺ < Cl³⁺ < Cl⁺ < Cl < Cl^–

Referencias

Bodner Research Web. (s. f.). Size of Atoms. https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch7/index.php

La Física y Química. (2019, 15 junio). Tamaños de átomos e iones. La fisica y quimica. https://lafisicayquimica.com/7-3-tamanos-de-atomos-e-iones/

Socratic. (2016, 3 enero). How is atomic size measured? Socratic.org. https://socratic.org/questions/how-is-atomic-size-measured

Studynlearn. (2014, 14 junio). Atomic Size. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=HBIUnpU_vJA

Tomé, C. (2020, 4 febrero). ¿Por qué los átomos tienen el tamaño que tienen? Cuaderno de Cultura Cientí­fica. https://culturacientifica.com/2020/02/04/por-que-los-atomos-tienen-el-tamano-que-tienen/