Radis atòmics

Avui donarem un passeig per la taula periòdica (recordeu a Mendeleyev),
us parlaré de nuclis, electrons i radis atòmics. De passada, traurem
alguna conclusió que és, com a mínim, sorprenent.

[@more@]

Fem un poc de memòria. L’any 640 aJ, Tales de Mileto va formular una pregunta: de què està fet l’Univers? Més de 2.000 anys l’home ha buscat la resposta a aquesta pregunta en el que ha estat i és la més gran i més apassionant història de detectius.

Els grecs pensaven que l’Univers estava format per quatre elements bàsics: terra, aire, aigua i foc. Fa uns 200 anys, Lavoisier va fundar la química moderna que era capaç d’identificar uns 30 elements químics. La llista ha augmentat des d’aleshores a 110. Són tants que ni tan sols els químics es molesten a batejar-los: els nomenen directament pel seu nombre atòmic. Tots ells han encaixat en la Taula Periòdica dels Elements.

En primer lloc cal recordar que les càrregues de signe contrari s’atreuen amb la força que dóna la Llei de Coulomb. Veiem-la (sense tenir en compte els signes):

No us deixeu impressionar: és idèntica la llei de la Gravitació Universal de Newton. La gran diferència és que enlloc d’haver masses, hi ha càrregues elèctriques. A més s’atreuen d’igual manera: en funció del quadrat de la distància. Cal dir, a més, que a igualtat de condicions guanyen les càrregues. Per exemple, si comparem l’atracció gravitatòria entre dos electrons i la força de Coulomb que les separa, la força elèctrica ni s’adona de la força gravitatòria.

Perquè no hagueu de mirar contínuament de la taula quan digui un element posaré entre parèntesi el nombre atòmic, és a dir, nombre de protons que conté el seu nucli i que dóna la càrrega positiva del mateix.

Deixant de banda l’Hidrogen (1) i l’Heli (2) comencem pel liti (3), beril·li (4), bor (5), etc.

A mida que el nucli augmenta la seva càrrega és lògic esperar que atregui als electrons amb més força i això hauria de repercutir que el radi atòmic fora menor. Aquí la lògica quadra: el radi atòmic del liti (3) és 1,55 Å (àngstroms); el del beril·li (4) 1,12; el del bor (5) 0,91; etc. Efectivament, a mida que el nucli creix en càrrega positiva tira amb més força dels electrons que l’envolten i les seves òrbites tendeixen a acostar-se a ell. Per tant, si ens movem d’esquerra a dreta en la taula periòdica anirem trobant radis cada vegada més petits.

Això també repercuteix en la dificultat d’arrencar electrons als àtoms (Energia de ionització). En ser atrets amb més força pel nucli necessitarem més energia per arrencar els esmentats electrons. En aquest cas deixaríem a l’àtom positivament carregat, tenint un ió positiu o catió.

Ara, en comptes de moure’ns d’esquerra a dreta, fem-ho de dalt a baix. Mirem la columna dels metalls alcalins: la primera de l’esquerra (liti (3), sodi (11), potassi (19), rubidi (37), cesi (55)). Podríem pensar, amb la mateixa lògica anterior, que a mida que augmenta la càrrega del nucli atòmic tirarà amb més força dels electrons i reduirà el radi atòmic. Doncs no, ara entra en joc un altre factor decisiu.

Resulta que tots els metalls alcalins tenen un sol electró a l’òrbita més externa. Encara que augmentem el nombre atòmic, també parlem d’una altra capa atòmica més externa i que està a més lluny del nucli. L’electró extern del liti està a la segona òrbita; el del sodi a la tercera; etc. I per si no n’hi hagués prou, l’electró extern no és atret amb més força. De fet, només veu una càrrega positiva. Per exemple, si el liti té 3 protons i 2 electrons en la primera capa: aquest últim electró veurà una càrrega positiva de 3-2=1; en el cas del cesi seran els 55 protons del nucli menys els 54 electrons de les capes interiors: 55-54=1. Així doncs l’electró extern, a grans trets, veu una sola càrrega positiva des de fora. La càrrega nuclear, per tant, no té conseqüències significatives per a aquells distants electrons de la capa afegida.

Això, per descomptat, també repercuteix en les energies de ionització que disminueixen de dalt a baix; doncs a mesura que anem afegint capes, ens anem allunyant del nucli. Per exemple, la del cesi és un 75% de la del liti.

Ara bé, a tot el que us acabo de dir li donaré la volta. Si hi ha més facilitat per perdre electrons, haurà més dificultat per capturar-los. És a dir, si per perdre un electró dèiem que era més fàcil a mida que baixàvem en la taula i estàvem més a l’esquerra, els elements que millor capturin electrons estaran més dalt i a la dreta. En aquest cas, quedaria carregat negativament (un electró de més) i es diuria ió negatiu o anió.

Conclusió: trobem anions (ions negatius) més fàcilment a la part superior dreta de la taula i cations (ions positius) a la part inferior esquerra.

S’exclouen els gasos nobles que tenen totes les seves capes plenes en la columna de la dreta de tot. Sabeu per què es diuen nobles? Doncs perquè com en un temps la noblesa no es barrejava amb la resta del món el símil estava servit.

Quin munt de conclusions podem extreure només fent quatre números amb la taula periòdica, oi?. Ara us vui explicar un altre detall. No us heu preguntat mai per què les densitats dels elements que coneixem en la Terra són tan semblants? Gairebé no varien en ordres de magnitud. Les densitats de tots els materials oscil·len, aproximadament, entre 1 i 10 g/cm3. A primera vista, sembla no tenir sentit si pensem que el nombre de nucleons (protons més neutrons) pot oscil·lar des d’1 per a l’hidrogen i fins a números ben grans com 238 per a l’urani. Sembla que haurien d’existir materials amb densitats de l’ordre de 200 g/cm3.

El millor en aquests casos és fer càlculs i veure qué passa. Prenguem aquests dos exemples anteriors. L’hidrogen té un radi atòmic de 0,75*10-8 cm. L’urani amb els seus 238 protons té un radi només 3 vegades més gran: 2,2*10-8 cm. La massa aproximada d’un neutró i un protó (un nucleó) és d’1,7*10-24 grams (la dels electrons és menyspreable). Bé, si la densitat és la massa dividida pel volum, ja podem calcular la de l’hidrogen i la de l’urani: un nucleó contra 238.

Anem amb l’hidrogen:

I ara amb l’urani:

Acabem de deduir que el fet que no hagi materials molt més densos que el plom i l’urani o molt menys densos que l’aigua estan relacionats directament amb quantitats fonamentals de la física atòmica com el radi i la massa de l’àtom. No us sembla una deducció sorprenent?

Espero que el passeig us hagi agradat.

Fonts:
"El secreto de la química", Gianni Fochi
"El panorama inesperado", James S. Trefil
"El encanto de la física", Sheldon L. Glashow
"La búsqueda de los elementos", Isaac Asimov
http://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementos
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_de_ionizaci%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Angstrom

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.