Capítulo III: Los elementos químicos

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
Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 7
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.
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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”.
56
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?
•
Usa la tabla periódica para encontrar los símbolos
correspondientes a esos números.
•
Con esta información diseña un reloj de los elementos
químicos para tu salón de clase.
•
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.
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