El mundo de la química

Capítulo III: Los elementos químicos

La tabla periódica La tabla periódica es uno de los símbolos emblemáticos de la ciencia, ya que resume buena parte de nuestros conocimientos sobre química. Los ladrillos que permitieron la construcción de la tabla periódica son los elementos químicos.

Fascículo 7

Desarrollo histórico de la tabla periódica Las ideas fundamentales Muchos intentos se hicieron a lo largo de casi un siglo para organizar los elementos químicos. Siempre se trató de ordenarlos siguiendo los posibles nexos entre sus propiedades físicas y químicas. Así, por ejemplo, Döbereiner encontró que el cloro, el bromo y el yodo eran similares en cuanto a su reactividad y este hecho le permitió agruparlos en una misma familia: las llamadas Tríadas de Döbereiner. Con el tiempo, se fueron estableciendo las masas relativas de los elementos. Ello ayudó a Mendeleiev a concebir una idea que sistematizaría la forma de clasificar los elementos al proponer que existía una relación entre sus masas atómicas y sus propiedades. Así, el gran científico ruso organizó los elementos en el orden creciente de sus masas atómicas, encontrando propiedades análogas cada cierto número de elementos, es decir que las propiedades se repetían con alguna periodicidad. Años después, al desentrañarse la estructura de los átomos se encontró que las propiedades de los elementos son realmente una función periódica del número atómico, o sea, del número de protones que posee cada átomo en su núcleo, lo que a su vez implica la forma como se distribuyen sus electrones en los diferentes niveles de energía. Salvo éste y otros pequeños cambios, la idea primigenia de Mendeleiev permanece incólume en el tiempo.

50

Un poco de historia Dimitri Ivanovitch Mendeleiev nació el 1º de febrero de 1834 en Tobolsk, Siberia, Rusia. Era el último de los diecisiete hijos del director de la escuela local. Se educó en San Petersburgo, y tal vez a causa del ambiente en el que transcurrió su juventud, era un hombre inclinado a la meditación. A causa de una enfermedad se fue a Crimea y obtuvo un puesto de profesor de ciencias. La guerra lo obligó a volver a la capital rusa. Tenía 31 años cuando fue nombrado profesor en la Universidad de San Petersburgo. Escribió libros y ensayos relacionados con el concepto de la periodicidad química. También se dedicó al estudio de los recursos naturales de Rusia y sus aplicaciones comerciales. Principalmente se interesó por el petróleo. Mendeleiev murió en 1907.

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La tabla periódica a través de su historia El descubrimiento del sistema periódico no es fruto de un momento de inspiración de un individuo, sino que culmina con una serie de desarrollos científicos. 1817. Johann Döbereiner estableció la Ley de las Tríadas, que señala que los pesos atómicos de los elementos de características similares siguen una progresión aproximadamente aritmética. 1864-1866. En 1864 Newlands, químico inglés, anunció la Ley de las octavas utilizando como símil la escala musical: de acuerdo con esta clasificación las propiedades de los elementos se repiten de ocho en ocho. Pero esta ley no pudo aplicarse a los elementos más allá del calcio. La clasificación fue por lo tanto insuficiente, pero la tabla periódica comenzó a ser diseñada. 1868. D.I. Mendeleiev publicó su primer ensayo sobre el sistema periódico en función creciente de sus pesos atómicos, cuando se conocían 60 elementos. 1869. El 17 de febrero de 1869 nace la tabla periódica Moderna de Mendeleiev. 1870. Ese año se publicó una versión de la tabla periódica ideada por el químico alemán Lothar Meyer que era muy parecida a la de Mendeleiev, sin embargo el químico alemán la creó sin conocer el trabajo de Mendeleiev.

Johann Döbereiner

John A.R. Newlands

Dimitri Mendeleiev

51

1894. William Ramsay descubrió el argón, no predicho por Mendeleiev. 1914. Moseley ordenó los elementos de acuerdo con el número atómico.

Lothar Meyer

William Ramsay

Subnivel s 1-2 *[ns ] Masa atómica

Metales alcalinos 1,008

*[1s]

1

2,1

±1

H

-259,2

0,37

2 *[2s 2p]

3 9,01

1,0

1 1,5

Li

180,5

1,34 1277

Litio

3 *[3s 3p]

0,9 97,8

Na

Sodio

4 *[4s 3d 4p]

0,8

K

97,8

*[5s 4d 5p]

38,9

Rb

*[6s (4f) 5d 6p]

28,7

0,8 27

Mg

3

4

20 44,96

21 47,90

1 1,0

2 1,3

3 1,5

Ca

Sc

1,97 1539

Calcio

Escandio

39 91,22

2 1,2

3 1,4

Estroncio

Ba

1 0,9

Itrio

2 1,1

La

2,22 920

Ra

2 1,1

Radio

Zr

3 1,3

3

Ac 1,878

Actinio

Nb

Mo

Manganeso

1,39 21,40

7 2,2

Tc

2,3,4,5,6 1,9

W

1,46 3410

Tantalio

74 186,20

1,39 3180

Wolframio

105 263,12

Re

1,34 1966

Rutenio

2,4,6,7 2,2

Co

Osmio 107 265

Ha***

Sg Unh

Uns

Uno

Hahnio

Seaborgio

Bohrio

Hassio

Hs

1,37 960,8

Ir

Pt

1,36 1769

Ag

1,44 320,9

Plata

14 30,97

3 1,8

4 2,1

Si

1,43 1410

Silicio

P

32 74,92

3 1,8

4 2,1

Ga

1,41 937,4

Galio 2 1,7

Cadmio

1,66 231,9

Indio

50 121,76

Sn

2,4 1,9 1,62 630,5

Estaño

82 208,98

83 210,00

84 210,00

2,4 2,4

1,3 1,9

1,2 1,8

1,3 1,9

2,4 1,9

3,5 2,0

4,6 2,0

Oro

110

Hg

Tl

1,57 303

Mercurio 111

1,71 327,4

Talio

Pb

Bi

1,75 271,3

Plomo

1,70 254

Bismuto

Uun

Kriptón

±1,3,5,7 -

Polonio

54

Xe

1,33 -111,9

0 2,09

Xenón 85 222 - -

At

1,76 302

0 1,89

Rn

-71

Astato

86 0 2,14

Radón

112

Mt Uuu

Metales

Uub

Meitnerio Ununnilio Unununio

Po

Kr

1,14 -157,3

Yodo

81 207,19

1,44 -38,4

36

53 131,30

I

1,60 113,7

80 204,37

Au

Argón

Bromo

±2,4,6 2,5

79 200,59

Platino

Une

Br

1,40 -7,2

Teluro

0 1,74

35 83,80 ±1,3,5,7 -

52 126,90

Te

1,38 449,5

18

Ar

0,99 -189,4

Cloro

±2,4,6 2,8

Selenio

±3,5 2,1

Antimonio

Cl

1,02 -101,0

51 127,60

Sb

Neón

34 79,91

Se

1,39 217

0 1,31

17 35,95 ±1,3,5,7 -

Azufre

±3,5 2,4

Germanio Arsénico 3 1,8

Flúor

±2,4,6 3,0

33 78,96

As

1,37 817

49 118,69

In

1,54 156,6

Ge

S

Ne

0,72 -248,6

16 35,45

1,28 119

Fósforo

31 72,59

2 1,6 1,38 29,8

Oxígeno

±3,5 2,5

10

-1 -

F

0,73 -219,6

15 32,06

1,32 44,2

9 20,18

-2 4,0

O

0,92 -218,8

0 0,93

Helio

8 18,99

±3,1,2,4,5 3,5

N

Carbono Nitrógeno

48 114,82

Cd

±4,2 3,0

-269,7 He

17

7 15,99

0,91 -218,8

30 69,72

Zinc 1 1,7

16

13 28,08

Aluminio

47 112,40

15

2

-

Halógenos

78 196,97

1,38 1063

109

Zn

1,28 419,5

Cobre

Paladio

Iridio

Rf**

Pd

2,3,4,6 2,2

Cu

46 107,87 2,4 1,9

77 195,09

108 266

Una Rutherfordio

Bh

1,34 1552

Rodio

1,35 2454

1,24 1083

Níquel

2,3,4,6 2,2

76 192,20

Os

Ni

1,25 1453

45 106,40

Rh

2,3,4,6,8 2,2

1,37 3000

Renio

106 262,12

29 65,37 1,2 1,6

Cobalto

75 190,20

12

28 63,54 2,3 1,9

44 102,91

Ru

11

27 58,71 2,3 1,8

2,3,4,6,8 2,2

1,36 2500

10

26 58,93

Hierro

43 101,07

660

2,3 1,8 1,26 1495

Al

2

C

0,98 3727

Boro

ns ]

9

Fe

1,26 1536

Molibdeno Tecnecio

2,3,4,5 1,7

104 261,12

Mn

42 97,00 2,3,4,5,6 1,9

73 183,85

Ta

1,58 2996

8 25 55,85

2,3,4,6,7 1,8

1,27 1245

Cromo

1,46 2610

Niobio

2,3,4 1,53

Hafnio

89 261,11

Cr

41 95,94 2,3,4,5 1,8

72 180,95

Hf

1,87 2222

2,3,4,5,6 1,5

1,34 1875

Vanadio

1,60 2468

7 24 54,94

2,3,4,5 1,6

40 92,91 2,3,4 1,6

Circonio

Lantano

V

1,47 1900

57 178,49

88 227,00

1,4 700

Ti

1,80 1852

56 138,91

Bario

1,76 700

Y

2,15 1509

6 23 51,99

2,3,4 1,6

Titanio

38 88,91

1 1,0

Sr

5 22 50,94

1,62 1668

37 87,62

2,67 714

Francio

Metaloides

1-10

87 226,00

Fr

Gases

Subnivel d • elementos de transición * [(n-1)d

1,60

19 40,08

Cesio

7

Líquidos

Chalcógenos

6 14,01

3 2,5

B

1,5

1 0,9

223,00

*[7s (5f) 6d]

Sólidos

Pricógenos

14 5 12,01

2030

26,98

55 137,34

Cs

2,0

12

2,48 768

Rubidio 0,86

2 1,12

1,2

2,35 838

132,91

6

Be

4,00

Familia del carbono

13

1 1,2

Potasio 0,8

18 Familia del boro

Radio atómico (Å) o Radio covalente (Å) o Radio iónico (Å)

10,81

Magnesio

85,47

5

0,37

11 24,31

1,90 650

39,10

H

Gases nobles

Número de oxidación (Valencia)

4

Berilio

22,99

±1

Hidrógeno

2

Hidrógeno 6,94

-259,2

Punto de fusión (ºC)

Metales alcalinotérreos

Subnivel p (excepto el Helio) 2 1-6 *[ns p ]

Número atómico

1

2,1

Electronegatividad

1 1

1,008

Henry Moseley

No metales

Ununbio

* Configuración electrónica general 1-14

** Rf(z=104) también llamado Kurchutovio (Ku)

Subnivel f • elementos de transición interna * [(n-2)f

1-10

(n-1)d

1-2

ns ]

*** Ha(z=105) también llamado Dubnio (Db)

Tierras Raras I Lantánidos 1-14 1-10 2 [Serie 4f] *[4f 5d 6s ]

140,12

58 140,91

59 144,24

1,1

3,4 1,1

3,4 1,2

Ce

795

Cerio 232,04

Tierras Raras II Actínidos 1-14 1-10 2 [Serie 5f] *[5f 6d 7s ]

1,3 1750

Th

Torio

Pr

1,81 935

1,82 1024

60 147,00

Nd

3 1,82 1027

61 150,35

Pm

3 1,1 1,83 1070

Praseodimio Neodimio Promecio 90 231,00 3 1,5 1,82 1230

Pa

91 238,03 5 1,7 1,63 1132

Protactinio

92 237,05

U

3,4,5,6 1,3 1,56 637

Uranio

Np

Sm

63 157,25

2,3 1,0

2,3 1,1

1,66 826

Samario

93 242,00 3,4,5,6 1,2 1,56 640

Neptunio

62 151,96

Pu

Eu

2,04 1312

Europio

94 243,00 3,4,5,6 1,63 -

Plutonio

Gd

3,4,5,6 1,06 -

Americio

3 1,2 1,79 1356

Gadolinio

95 247,00

Am

64 158,93

Cm Curio

Tb

65 162,50 3,4 1,1 1,77 1407

Terbio

96 247,00 3 - -

Bk

66 164,93

Dy

3 1,2 1,77 1461

Disprosio 97 251,0 3, 4 -

Berkelio

- -

Cf

3 1,2

3 - -

68 168,93

Er

1,76 1497

Holmio

98 254,00

3 1,2 1,75 1545

Erbio 99 257,00

Es

Californio Einstenio

Preparada por el equipo de “El mundo de la química” de Fundación Polar. Diagramado y realizado por Rogelio Chovet Valores comparados con McGraw-Hill Interamericana de España. http://www.mcgraw-hill.es/bcv/tabla_periodica/mc.html

Ho

67 167,26

- - -

Tm

69 173,04

70 174,97

2,3 1,1

2,3 1,2

1,74 824

Tulio 100 258,00

Fm Fermio

- - -

Md

Yb

1,92 1652

Iterbio 101 259,00 - - -

71

Lu

3 1,74

Lutecio 102 262,00

No

Mendelevio Nobelio

- - -

103

Lr

-

Laurencio

Orden en el caos: se organizan los elementos en la tabla periódica Para principios del siglo XIX se conocían un poco más de 60 elementos pero no habían podido ser ordenados siguiendo algún patrón. Es por ello que se dice: “la tabla periódica puso orden en el caos que existía” dado que, con los aportes de Mendeleiev y otros investigadores organizaron los elementos en grupos y períodos.

Z 1 2 3 4 5 6 7

La estructura general de la tabla periódica indica que en los grupos (columnas verticales) se encuentran los elementos con propiedades químicas similares, ya que contienen el mismo número de electrones en su nivel energético más externo. Según la nomenclatura actual, la tabla periódica tiene 18 grupos. En los períodos (filas horizontales) el número atómico varía de uno en uno desde los metales, pasando por los semimetales, hasta culminar en los no metales. La tabla periódica se divide en 7 períodos. Se puede decir, entonces, que los elementos constituyen las letras del alfabeto de la química, ya que permiten escribir las fórmulas de los compuestos químicos para luego nombrarlos haciendo uso de reglas sistemáticas. Esta organización es la que hace posible que la tabla periódica funcione como una herramienta imprescindible para el manejo de la química.

52

Algo más sobre la tabla periódica Desde que Dimitri Ivanovitch Mendeleiev publicó su primera tabla periódica en 1869, se han editado más de setecientas representaciones gráficas hasta la fecha. Cada representación tiene sus ventajas y sus desventajas y la búsqueda de una tabla periódica “ideal” continúa aún hoy día. Sin embargo, esta búsqueda no ha sido muy exitosa ya que la tabla periódica larga ha prevalecido a lo largo del tiempo.

Tabla periódica de Theodor Benfey

Algunos de estos intentos de tablas periódicas los constituyen la corta, o de Hubbard, diseñada en 1924, que tiene la ventaja de integrar los elementos de transición en un mismo grupo y subdividirlos en familias A y B. Es muy llamativa por su colorido, además de que muestra información diversa para cada elemento. Otra es la tabla periódica en espiral que presenta una estructura de capas. Las columnas corresponden a los grupos o familias de elementos y las filas o períodos con las múltiples capas de la tabla tridimensional. Esta versión tiene la ventaja de poner de relieve el crecimiento regular y la simetría del tamaño de los períodos.

Tabla periódica de Timmothy Stowe

Tablas periódicas alternativas

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Organización de los elementos en la tabla periódica Metales alcalinos (Grupo 1)

Li = Litio Na = Sodio K = Potasio

Rb = Rubidio Cs = Cesio Fr = Francio

Todos tienen un solo electrón en su último nivel de energía. Al reaccionar con el agua forman soluciones alcalinas o básicas, de allí su nombre. La sal que usas en los alimentos contiene sodio, el más común de los elementos de este grupo. El potasio es un ingrediente importante de los fertilizantes de las plantas. El litio es usado por los médicos para tratar enfermedades depresivas. El litio también se mezcla con el aluminio para fabricar una aleación liviana, pero fuerte, usada en los aviones.

Metales alcalino-térreos (Grupo 2)

Be = Berilio Sr = Estroncio Mg = Magnesio Ba = Bario Ca = Calcio Ra = Radio

53

Cables de cobre

Son utilizados en la construcción de diversos objetos de nuestra vida cotidiana: el cobre de los cables de electricidad; el hierro que, junto a otros elementos, constituye al acero de diversos utensilios; el mercurio de los termómetros; la plata y el oro usados en joyerías. La mayoría de sus compuestos son coloreados.

Bloque de aluminio para motor

Grupo 13

B = Boro Al = Aluminio Ga = Galio

Quema de una cinta de magnesio

Contienen 2 electrones en el último nivel que, en condiciones apropiadas, pueden ceder o compartir con otros elementos. De allí que en la naturaleza se nos presenten en forma de iones con 2 cargas positivas. Los más comunes son el calcio y el magnesio que, por encontrarse en muchos minerales, son disueltos por los ríos y lagos, siendo, por ejemplo, la concentración de sus iones (Ca2+ y Mg2+) lo que se denomina dureza del agua. El calcio es muy común en nuestras vidas ya que se encuentra, por ejemplo, en la leche, en los huesos y en la tiza.

Metales de transición (Grupos 3 al 12)

Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Mn, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Co, Rh, Ir, Mt, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg.

Reacción del sodio con el agua

In = Indio Tl = Talio

De este grupo forman parte elementos de tipo no metálico, semimetálico y metálico. Tienen puntos de fusión relativamente bajos y son muy útiles en diversos tipos de aleaciones y materiales semiconductores. El aluminio (Al) es muy versátil como material de construcción debido a que es muy liviano y no se corroe fácilmente, por lo cual se utiliza, por ejemplo, en los marcos de las ventanas de vidrio, puertas para duchas y en la construcción de aviones. Es uno de los principales recursos naturales de Venezuela.

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Organización de los elementos en la tabla periódica Piedra de carbonato de silicio

Grupo 14

C = Carbono Sn = Estaño Si = Silicio Pb = Plomo Ge = Germanio

Este grupo está conformado por elementos no metálicos (C y Si), semimetálicos (Ge) y metálicos (Sn, Pb). Entre ellos destacan el silicio por su abundancia en la corteza terrestre en forma de sílice y silicatos y el carbono por su relación con la vida y sus componentes. El carbono es la base de toda una especialidad: la química orgánica.

Nitrógeno líquido

Grupo 15 Aquí destacan el nitrógeno, el gas más abundante en el aire y de gran versatilidad química, y el fósforo, constituyente de los huesos y del ATP, molécula fundamental en los procesos energéticos de los organismos vivos.

54 N = Nitrógeno P = Fósforo As = Arsénico

Sb = Antimonio Bi = Bismuto

Emanación volcánica sulfurosa

Grupo 16

O = Oxígeno S = Azufre Se = Selenio

Te = Telurio Po = Polonio

Está liderado por el oxígeno que respiramos (O2), el cual también se presenta en forma de ozono (O3) que protege a la Tierra de las radiaciones de alta energía. Otro elemento, el azufre, es básico para la formación del ácido sulfúrico, uno de los compuestos químicos de mayor producción mundial anual, además de ser constituyente de aminoácidos.

Cloro

Grupo 17

F = Flúor Cl = Cloro Br = Bromo

I = Iodo At = Astatino

Ha conservado su nombre primigenio: los halógenos. Son los típicos no metales que tienden a formar iones negativos (F-, Cl-, ...), pues, al contrario de los metales, les es fácil capturar electrones. Aquí podríamos destacar al flúor, tan importante para preservar en buen estado nuestra dentadura; al cloro, uno de los elementos de mayor producción y uso industrial, y al yodo, el cual tiene, entre otros, múltiples usos en el campo de los productos farmacéuticos.

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Globo de helio

Gases nobles (Grupo 18)

He = Helio Ne = Neón Ar = Argón

Kr = Kriptón Xe = Xenón Rn = Radón

Se llaman gases nobles porque sus átomos al tener completamente llena la última capa de electrones, tienen poca tendencia a formar compuestos. Efectivamente, el número de compuestos formados por estos elementos, en relación a los demás de cada período, es bastante limitado. Aquí podríamos mencionar al helio que, por su escasa densidad y gran estabilidad, permite que los globos se eleven.

Interesante: Las tierras raras Átomo de lantano

El descubrimiento de los lantánidos fue tortuoso: las cantidades en que aparecían en las muestras sometidas a análisis, eran pequeñas, por lo que se les denominó tierras raras; también eran muy difíciles de separar y como tienen ciertas propiedades químicas semejantes entre sí, algunos químicos llegaron a sugerir que se les ubicara a todos en una sola casilla, lo que rompía con una norma básica del sistema de clasificación: una casilla para cada elemento. Así que se resolvió sacarlos de la tabla y colocarlos más abajo en filas anexas. La primera es la serie de los lantánidos que comprende los elementos del lantano al lutecio.

55

Lutecio. Fuente: www.theodoregray.com

En 1944, Glenn Seaborg (Premio Nobel de Química en 1951), a la derecha, señaló que publicaría una tabla periódica en la que propondría una nueva serie de elementos. Algunos de sus colegas y amigos, según sus propias palabras, le advirtieron: “No lo hagas, arruinarás tu reputación científica”. Para, luego, el gran científico agregar: “Yo tenía una gran ventaja: no gozaba de ninguna reputación científica para aquel entonces, así que seguí adelante y la publiqué”. Así nació la serie de los actínidos. La segunda fila al final de la tabla periódica corresponde a la serie de los actínidos. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 7

Apoyo didáctico Afiches (posters) atómicos El profesor asigna al azar a los estudiantes un elemento químico para crear un “slogan”, una frase o una oración donde utiliza el nombre del elemento para sustituir el número atómico de éste. Por ejemplo: Es necesario tener ARGÓN para poder obtener una licencia de conducir. Esto significa que, de acuerdo con la Ley, debes tener 18 años cumplidos para sacar tu licencia de conducir. El “slogan” es colocado en un afiche pequeño (dimensión 100 x 60 cm) junto con el símbolo del elemento, peso atómico y número atómico. Adicionalmente, el alumno escribe dos o tres párrafos de información acerca de los usos del elemento y cómo escogiste el “slogan”.

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Es hora de ser creativo ¿Serías capaz de construir un reloj con los símbolos de los elementos químicos? ¿Cómo lo harías? Aquí te damos algunas ideas: •

Piensa en las horas del 1 al 12. En química, ¿a cuáles elementos corresponden los números de las horas?

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Usa la tabla periódica para encontrar los símbolos correspondientes a esos números.

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Con esta información diseña un reloj de los elementos químicos para tu salón de clase.

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Piensa ahora en la hora militar, ¿cuáles elementos cambian? ¿Podrías diseñar un reloj incluyendo ambas formas de expresar la hora?

Realízalo y preséntalo a tu profesor. Recuerda ser creativo, usa tus conocimientos.

Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 7