Radi iònic
El radi iònic és una mida efectiva assignada a un ió en un entorn estructural concret. És molt útil per comparar estructures cristal·lines, coordinació i tendències periòdiques, però no és el radi d’una esfera rígida que pertanyi a l’ió independentment de la càrrega, el nombre de coordinació o el tipus d’enllaç.
Significat del radi iònic
El radi iònic és un model estructural
En un cristall els ions veïns no es toquen en superfícies perfectament definides. La difracció determina distàncies entre nuclis i un esquema de radis reparteix aquestes distàncies en contribucions iòniques. Diferents esquemes poden donar valors lleugerament diferents.
Treure electrons sol fer més petit un catió
Quan un àtom forma un catió disminueix la repulsió electró–electró mentre la càrrega nuclear es manté. Si la ionització elimina tota la capa externa, com en Na→Na⁺, la contracció és especialment gran. A igual coordinació, Fe³⁺ és normalment més petit que Fe²⁺.
Afegir electrons sol fer més gran un anió
Formar un anió afegeix electrons a la regió de valència. La repulsió electrònica augmenta amb la mateixa càrrega nuclear, i el núvol s’expandeix fins a un nou equilibri. Per un mateix element, una càrrega més negativa sol implicar un radi més gran en contextos comparables.
Què controla la mida dels ions
Una sèrie isolectrònica aïlla l’efecte de la càrrega nuclear
O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ i Al³⁺ tenen deu electrons. En avançar per la sèrie, però, el nombre de protons augmenta de 8 a 13. Amb el mateix nombre d’electrons, una atracció nuclear més forta contrau progressivament el núvol: O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.
El nombre de coordinació canvia el radi tabulat
Un ió amb més veïns coordinats necessita ocupar una regió efectiva més gran dins de l’estructura. Per això les taules fiables especifiquen el nombre de coordinació: un Fe²⁺ octaèdric i un Fe²⁺ tetraèdric no s’han de tractar com la mateixa esfera.
L’estat d’oxidació canvia la mida
En augmentar la càrrega positiva d’un mateix element, els electrons restants experimenten una atracció efectiva més gran i el radi disminueix. Aquesta és la raó electrònica que Fe³⁺ sigui més petit que Fe²⁺ a coordinació comparable.
Conseqüències químiques de la mida iònica
Densitat de càrrega, polarització i estructura
Un ió petit amb càrrega alta té gran densitat de càrrega i pot polaritzar fortament el núvol d’un anió veí. Un anió gran i difús és més polaritzable. Aquestes dues idees ajuden a entendre per què alguns compostos que es descriuen com iònics presenten un caràcter covalent apreciable.
Alt poder polaritzant
Un catió petit i molt carregat concentra el seu camp elèctric i deforma amb més facilitat la densitat electrònica dels veïns.
Alta polaritzabilitat
Un anió gran té una densitat electrònica més difusa i es deforma més fàcilment en un camp extern.
Tendències periòdiques: compareu espècies equivalents
Dins d’una família d’ions amb la mateixa càrrega, el radi sol augmentar en baixar per un grup perquè apareixen noves capes ocupades. En un període, les comparacions s’han de separar entre cations i anions: creuar el canvi de càrrega pot produir salts bruscos que un sol ‘fletxa periòdica’ no representa bé.
Hidratació i energia reticular
Els ions petits i molt carregats solen hidratar-se amb força perquè el camp elèctric a prop seu és intens. En sòlids iònics, càrregues grans i distàncies curtes tendeixen a augmentar l’energia reticular. Però la geometria, la polarització i l’entorn del dissolvent també intervenen.
El radi no prediu tot sol l’estructura cristal·lina
Les regles basades només en la relació de radis són aproximacions. La coordinació real depèn de l’estequiometria, la polarització, la direccionalitat de l’enllaç, la pressió i l’estructura electrònica. El radi és una variable útil, no una predicció completa.
Exercicis
Sèrie isolectrònica
Ordeneu O²⁻, F⁻, Na⁺ i Mg²⁺ de més gran a més petit.
Solució
O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺. Tots tenen deu electrons; el nombre de protons augmenta en aquest ordre i el núvol es contrau.
Fe²⁺ i Fe³⁺
Quin ió és més petit en un entorn de coordinació comparable?
Solució
Fe³⁺. Té la mateixa càrrega nuclear però un electró menys i una càrrega positiva més alta, de manera que l’atracció sobre els electrons restants és més forta.
Coordinació
Per què s’ha d’indicar el nombre de coordinació quan es cita un radi iònic?
Solució
Perquè el valor es deriva d’una geometria estructural. Canviar el nombre i la disposició dels veïns canvia les distàncies internuclears i, per tant, el radi efectiu assignat.