El rincón de la Ciencia nº 48, enero de 2009
Preguntas para pensar
El cobre y la plata
Juan Carlos Sanz
Los elementos cobre y plata pertenecen al mismo grupo del Sistema Periódico (grupo 11, antiguamente conocido como de metales de acuñar), se supone, pues, que ambos tienen propiedades químicas similares.
La plata, al incluirse en el periodo 5, tiene un radio atómico que supera en casi un 20% al del cobre (perteneciente al periodo 4) y, sin embargo, la valencia más comúún de la plata es +1 mientras que la del cobre es +2 (es decir, el cobre "pierde" electrones, sorprendentemente con mayor facilidad que la plata)
¿Se te ocurre alguna hipótesis que justifique esta "anomalía"? (pregunta formulada en el nº 46, julio 2008)
La solución a la pregunta
Inmaculada Álvarez Serrano
La Tabla Periódica recoge el conjunto de los elementos químicos conocidos (y deja espacios para los que puedan irse aislando) de manera que en ella aparecen tendencias periódicas en algunas propiedades atómicas, muy útiles a la hora de abordar el estudio de los elementos con una perspectiva general. Así, los elementos que aparecen en una misma columna (grupo) presentan configuraciones electrónicas semejantes de la capa más externa, lo que se relaciona con propiedades químicas, en principio, similares. Ahora bien, son tendencias generales: hay muchas excepciones, no debe tomarse esa idea como si se tratara de una herramienta infalible.
Cobre (Cu), plata (Ag) y oro (Au) forman el grupo 11 de la Tabla Periódica. Sin embargo, presentan estados de oxidación estables (valencias) diferentes: Cu(II), Ag(I), Au(III). Es importante tener en cuenta que estos son los cationes más estables de estos átomos, en disolución acuosa.
¿Por qué esta diferencia entre elementos del mismo grupo? Intentaremos justificar este hecho:
En primer lugar, cuando una especie es más ESTABLE, esto significa siempre que ENERGÉTICAMENTE es más favorable.
En la siguiente tabla se recogen las energías de ionización primera, segunda y tercera para cada átomo.
Átomo / E. de ioniz (kJ/mol)
Ei1
Ei2
Ei3
Cu
745,3
1957,3
3577,6
Ag
730,8
2072,6
3359,4
Au
889,9
1973,3
2895
Si se comparan estos datos por columnas, se observa que los valores más bajos son los que se señalan en negrita, justificándose así que los cationes más estables sean Cu2+, Ag+, Au3+ (este argumento necesitaría algunos matices, porque pocos compuestos son totalmente iónicos).
Así que vemos que hay una SECUENCIA ERRÁTICA: realmente se aprecian más similitudes en la horizontal (periodos) que en la vertical (grupos), en esta zona de la T.P. (de hecho, el bloque d está lleno de excepciones; las variaciones periódicas de propiedades atómicas son más "limpias" en los bloques s y p).
¿Por qué se da esta secuencia errática?
Podrían tenerse en cuenta varios motivos, pero el factor más determinante es el tamaño atómico (y, por tanto, el tamaño catiónico) y su relación con su Energía de hidratación (ya que nos referimos a cationes estables en disolución acuosa):
El tamaño del catión Cu2+ es menor que el del Cu+ y, además, tiene el doble de carga: por ello su energía de hidratación es mucho mayor:
ΔHhid Cu2+ = -2100 kJ/mol ΔHhid Cu+ = -580 kJ/mol
La diferencia entre ambas compensa el valor de la segunda energía de ionización y, también, el hecho de que la configuración electrónica d10 (Cu+) sea muy estable.
Los tamaños catiónicos de los cationes Ag+ y Ag2+ son bastante mayores que el del Cu2+, por lo que las correspondientes energías de hidratación son menores y no compensan energéticamente.
En el caso del oro, su tamaño es ciertamente mayor que el de la plata, por lo que el tercer electrón de la capa de valencia está más "disponible" (menos retenido) dando lugar a que su catión más estable sea Au3+.