¿Qué determina la densidad de un elemento?

Question

Solía suponer (erróneamente) que la densidad de un elemento se correlaciona con su número atómico $\mathrm{Z}$ Pensé que al tener más protones el átomo pesaba más; pero por supuesto eso es incorrecto.

Entonces, ¿por qué hacer osmio $\mathrm{Os}$ con un número atómico de $\mathrm{Z}_{\mathrm{Os}}=76$ más denso que, por ejemplo, el uranio $\mathrm{U}$ con un número atómico de $\mathrm{Z}_{\mathrm{U}}=92$ ?

Answer 1

Hay un par de factores que hay que tener en cuenta.

En primer lugar, el aumento de Z significa que hay más partículas en el núcleo; sin embargo, también se están añadiendo electrones a los sistemas. Los electrones dictan el tamaño (es decir, el volumen) del átomo, por lo que el tamaño del átomo podría aumentan con el aumento de Z, lo que significaría que podrían caber menos átomos en el mismo volumen. Para utilizar su ejemplo, el radio covalente de Os es de 144 pm; el radio covalente de U es de 196 pm. Por lo tanto, sólo por esta propiedad, cabe esperar que haya más átomos de Os que de U en el mismo volumen.

También hay que tener en cuenta otro factor: el sistema de cristal del sólido. A temperatura y presión estándar, los átomos de los distintos elementos en estado sólido se agrupan en diferentes disposiciones, que se denominan sistemas cristalinos. Algunos de ellos son mucho más eficaces que otros. Por ejemplo, existen tres variantes del sistema de cristales cúbicos : primitivo, centrado en el cuerpo y en la cara. De Wikipedia:

Suponiendo un átomo por punto de red, en una red cúbica primitiva con longitud lateral del cubo a el radio de la esfera sería a 2 y el factor de empaquetamiento atómico resulta ser de aproximadamente 0,524 (que es bastante bajo). Del mismo modo, en un bcc la red, el factor de empaquetamiento atómico es de 0,680, y en fcc es 0,740. El fcc es el valor más alto teóricamente teóricamente posible para cualquier red, aunque hay otras redes que también alcanzan el mismo valor, como la hexagonal cerrada y una versión de la tetraédrica bcc .

Ahora bien, dependiendo del sistema cristalino que adopten los átomos del sólido, se pueden obtener más o menos átomos por unidad de volumen. Desgraciadamente, determinar qué sistema cristalino es el más adecuado para los distintos elementos no es sencillo y requiere un cierto conocimiento de los enlaces entre los átomos y otros factores.

Answer 2

Dado que la densidad de la materia es la masa por unidad de volumen, creo que, desde el punto de vista químico, las longitudes de los enlaces químicos importan. Si consideramos que un mismo elemento forma sustancias diferentes, la sustancia con menor longitud de enlace debería ser más densa. El término "densidad del elemento" me parece confuso. La densidad depende del estado de la materia (sólido, líquido, gaseoso) y de las condiciones, incluida la temperatura, etc.

Answer 3

Mientras que los neucleones (protones y neutrones) son los responsables de la masa del átomo, los electrones son los responsables de su tamaño. Los neucleones se encuentran en el diminuto núcleo del átomo. Los electrones ocupan una amplia zona alrededor de este núcleo. Si se siguen aumentando las partículas subatómicas (electrones, protones, etc.), sin duda la masa atómica aumenta, pero el volumen (tamaño) del átomo no necesariamente. ¿Por qué?

Bien, ya sabes que los electrones están como orbitando alrededor del neúcleo (este sencillo modelo bien basta para esta explicación) en órbitas: s,p,d,f, etc... Cada órbita significa una cáscara que determina la distancia de esos electrones en una cáscara particular. Una cáscara puede tener varios números fijos de electrones, por lo que al seguir añadiendo partículas subatómicas la masa aumenta necesariamente, mientras que el volumen no. ¿Qué ocurre si una cáscara particular ya está llena con su máximo? Entonces los nuevos electrones pasan al siguiente nivel/órbita superior, lo que significa un volumen mayor. Si piensas en esta línea de pensamiento, podrás entender que la densidad no va linealmente con la masa atómica, pero sigue habiendo una lógica.