Sistemas periódicos

11.4.1. Evidencias experimentales: partículas subatómicas 11.4.2. Descubrimiento de la radiactividad

11.4.3. Las aportaciones teóricas: modelos atómicos 11.5. LA MECÁNICA CUÁNTICA

11.6. ENLACES QUÍMICOS 11.7. REFLEXIONES FINALES

11.1. INTRODUCCIÓN

Al principio del sigloXIX Dalton había establecido su teoría atómica. Sin

embargo, no fue aceptada plenamente por los químicos. Los átomos «físicos» como muchos solían decir, no les eran útiles en su trabajo en el laboratorio, cuando tenían que llevar a cabo reacciones pesando reactivos y midiendo los resultados. Además, esa teoría atómica y esos átomos no les permitían predecir las reacciones. Por ello, ese siglo va a ser un periodo de grandes polémicas entre los atomistas, obviamente partidarios de la teoría atómica, y los equivalentistas, que utilizaban como medida patrón en el laboratorio el peso de un elemento que se combinaba con el oxígeno y que eran enérgicos antiatomistas. A éstos había que añadir los positivistas, que llevados por el rigor de un racionalismo extremo se negaban a aceptar algo que no se podía medir ni percibir (recuerde lo dicho sobre Berthelot en el Tema 10). Y, además, estaban los partidarios del energetis-

mo (representados por una gran figura de la historia de la química, Ostwald,

según los cuales la realidad efectiva era la energía por encima de la materia). Por ello, fueron dejando la idea del átomo para los físicos. Y precisamen- te será a éstos a quienes en gran medida se deban los grandes avances de la ciencia en el conocimiento de cómo están constituidos los átomos.

Por otra parte, los químicos a través de numerosas experiencias, que se multiplicaban en cantidad y variedad, iban conociendo cada vez mayor núme- ro de elementos distintos y comenzaron a detectar ciertas similitudes entre algunos de ellos. Surgió así la necesidad y, al mismo tiempo, la posibilidad de clasificar los elementos según ciertas propiedades externas, en general medi- bles o al menos percibibles. Por otra parte, se despertó el interés por conocer la naturaleza interna de esos elementos, es decir, la estructura de sus átomos.

11. 2. LOS GASES Y LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Se conocía la naturaleza eléctrica de la materia, según ya se ha tratado en el Tema 10 (apdo.10.2). Pero a mediados del sigloXIXaun no se sabía cuál era

la constitución de la electricidad. Por otra parte, de los tres estados de la materia aquél del que se conocía mejor su comportamiento era el gaseoso. Además, se había logrado representar ese comportamiento mediante leyes bastante sencillas, expresadas en un lenguaje matemático sin muchas com- plicaciones.

Ya en el siglo XVIII, en 1738, el físico, matemático y también médico

Daniel Bernouilli (1700-1782) había escrito sobre los gases que entre sus

moléculas no existían prácticamente interacciones y que estarían en conti- nua agitación. Es decir, avanzó las ideas contenidas en la teoría cinética de los gases, ideas que fueron retomadas más de un siglo después, en 1858, por

Clausius. Sin embargo, quien lanza verdaderamente la teoría cinética de los

gases fueLudwig Boltzmann (1844-1906), que la hace evolucionar hacia las

ideas de la mecánica estadística, introduciendo el concepto de probabilidad de los estados macroscópicos de un gas. Con esto llega en 1876 a la expresión de la entropía de un gas. Con estas ideas,Botzmann marca un nexo entre la

termodinámica y las leyes de la entropía con la teoría cinética de la materia. Sin embargo, pronto sus ideas fueron más o menos abiertamente rechazadas, aunque el tiempo le diera la razón, ya que la mecánica estadística abrió el camino para Planck y su teoría de los cuantos y al descubrimiento de los

fotones porEinstein.

Y siguiendo con el estudio de los gases aunque desde otra perspectiva,

Thomas Andrews (1813-1885) había introducido en 1869 la noción de tem- peratura crítica de un gas, como temperatura por encima de la cual un gas o

un vapor no se pueden licuar, por más que se aumente la presión. Por otra parte, poco después el físico holandésJohannes D. van der Waals (1837-

1923, Premio Nobel de Física en 1910) observó que los gases se desviaban con- siderablemente de la ley de Boyle-Mariotte a altas presiones y bajas tempera- turas. Supuso que estas desviaciones eran debidas a que en la realidad sí que habría alguna interacción entre las moléculas gaseosas y que además ocupa- ban un cierto volumen, aunque fuera muy pequeño. Por ello propuso una

ecuación de estado para los gases reales, muy parecida a la de los gases per-

fectos, si bien introduciendo dos parámetros que tenían en cuenta esas con- diciones.

Todas estas conclusiones sobre el estudio del comportamiento de los gases tuvieron consecuencias de enorme importancia, en el aspecto teórico y también en el aspecto de sus interesantes aplicaciones prácticas. Así, el cono- cimiento de las temperaturas críticas condujo a que ciertos gases —llamados gases permanentes, como el nitrógeno o el oxígeno— se consiguieran licuar, abriéndose también la vía de la experimentación a bajas temperaturas. Importantes investigadores se dedicaron a ella, comoDewar o von Linde,

siendo este último uno de los fundadores de la industria del frío y que además logró obtener aire líquido por primera vez (1895).

En cuanto a las aportaciones teóricas, con la química del frío se tuvo cono- cimiento de la superconductividad de los metales (ver Tema 13). Por su parte,

los estudios devan der Waals proporcionaron la base teórica de los enlaces

intermoleculares, como se analizará más adelante, en este mismo tema.

11.3. NECESIDAD DE UNA CLASIFICACIÓN

DE LOS ELEMENTOS

Aunque el mundo que nos rodea es sumamente complejo y el número de compuestos químicos es enorme, la cantidad de elementos químicos es redu- cida, solamente de poco más de cien. Sin embargo, los elementos se fueron descubriendo poco a poco a lo largo de la historia. Desde tiempos muy anti- guos se conocía el oro, la plata y el azufre. Se fue ampliando poco a poco este número con los elementos plomo, cobre, estaño, hierro, mercurio, antimonio y

carbono, hasta los inicios de la era cristiana. En el extenso periodo de la

alquimia, a pesar de su considerable desarrollo en técnicas y experimentos, se llegaron a conocer tan sólo unos doce elementos en total a su final, hacia 1700. A partir de este momento, las nuevas ideas en química que favorecen su evolución en todos los sentidos, también influirán decisivamente en el descu- brimiento de nuevos elementos: en el sigloXVIIIse caracterizan veintiún ele- mentos más y en elXIXcuarenta y siete. El resto de los elementos del sistema

periódico se descubre ya en el sigloXX.

11.3.1. Primeros intentos de clasificación

Con este ya considerable número de elementos, se habían empezado a encontrar ciertas similitudes, por lo que se realizaron algunas tentativas de cla- sificarlos aunque sin demasiado éxito. Fue el químico alemánJ. W. Döberei- ner el primero en conseguir algún acierto: en 1817 comenzó una larga labor de

reunir ciertos elementos de peso atómico próximo en grupos de tres, «triadas». Por su parte, el francésJ. B. Dumas a partir de 1830 comenzó a clasificar los

no metales también en triadas que él denominó familias naturales, mientras que su compatriotaJ.Thenard (1779-1857) clasificó los metales según su reac-

tividad frente al agua y al aire. Llegó así a cuatro grupos, desde los metales nobles, inoxidables, a los metales que se oxidaban muy fácilmente.

Estas clasificaciones consistían en un simple agrupamiento por ciertas analogías en alguna propiedad física o química, pero no se había detectado ninguna repetición o periodicidad de esas propiedades. Fue el científico fran- césBéguyer de Chancourtois quien realizó una genial observación: que las

propiedades de los elementos eran en cierto modo repetitivas. Esto le llevó en 1862 a ordenar a los elementos según su peso atómico creciente en una espe- cie de hélice.

Por otra parte, en 1864 J. A. Newlands (1838-1898) en Inglaterra en

1864, formula la regla de la «octava», basada en su idea de una analogía con las notas musicales. Así, clasificando los elementos según su peso atómico

creciente, aparecían analogías entre ellos, de ocho en ocho. En este caso, las familias de elementos se corresponden con esas «octavas». Desgraciadamen- te, a pesar de estas interesantísimas conclusiones, el trabajo de Newlands no tuvo ningún éxito.

11.3.2. Sistemas Periódicos

Pero partiendo de esta idea,Lothar Meyer (1830-1895) lleva a cabo una

clasificación en grupos de elementos con algunas analogías significativas, tal y como detalla en su libro Teorías de la química moderna. Concretamente, se da cuenta de la existencia de una relación entre el peso atómico de los ele- mentos y su densidad, lo que le da la posibilidad de llevar a cabo una orde- nación general de elementos, en 1869.

Por otra parte, el químico rusoDmitri Mendeleev (1834-1907) propone

otra clasificación, basada en este caso en las propiedades más bien de tipo químico de los elementos y se da cuenta de que son una función periódica de la magnitud de su peso atómico. Y, curiosamente, en el mismo año que Meyer, 1869, aunque algo antes (marzo y diciembre, respectivamente). Nace así la ley periódica. Ordena los elementos conocidos hasta ese momento, sesenta y tres, en seis grupos, en una tabla bastante parecida a la actual, aun- que los periodos los dispone verticalmente. Además, tuvo la visión de futuro de prever la existencia de elementos entonces desconocidos, para los que dejó el hueco correspondiente en su tabla:

Tabla periódica de Mendeleyeev: marzo de 1869, primera tabla

Ti 50 Zr 90 ? 100 V 51 Nb 94 Ta 182 Cr 52 Mo 96 W 186 Mn 55 Rh 104,4 Pt 197,4 Fe 55 Rh 104,4 Ir 198 Ni=Co 59 Pd 106,6 Os 199 H 1 Cu 63,4 Ag 108 Hg 200 Be 9,4 Mg 24 Zn 65,2 Cd 112 B 11 Al 27 ? 68 U 116 Au 197? C 12 Si 28 ? 70 Sn 118 N 14 P 31 As 75 Sb 122 Bi 210? O 16 S 32 Se 79,4 Te 128? F 19 CI 35,5 Br 80 I 127 Li 7 Na 23 K 39 Rb 85,4 Cs 133 TI 204 Ca 40 Sr 87,6 Ba 137 Pb 207 ? 45 Ce 92 Er? 56 La 94 Yt? 60 Di 95 In 75,6? Th 118

Aunque al principio estas ideas no tuvieron una acogida muy calurosa, tuvo después un gran éxito, sobre todo cuando Lecoq de Boisbaubran, Moseley y Rydberg siguieron estudiando en esta dirección. Así, el primero

de éstos descubrió en 1875 el galio, cuya existencia había previsto Mendele- ev (era lo que él llamó eka-aluminio). Por otra parte,Henry Moseley (1887-

1915) obtuvo espectros de rayos X de muchos elementos, para lo cual los uti- lizaba como anticátodo. Observó que esos espectros estaban constituidos por una serie de rayas características. Su gran perspicacia le hizo darse cuenta de que había una relación entre la frecuencia de la primera de esas rayas y un parámetro que resultó ser el número de orden del elemento en cuestión en esa tabla periódica, que después se llamó «número atómico» (1913). Determinó la expresión matemática de esa relación (ley de Moseley, totalmente empírica) con lo cual fue mucho más fácil determinar la posición de los nuevos elementos que se iban descubriendo.

Poco a poco se iban encontrando nuevos elementos, como el escandio (1879) o el germanio (1886). Pero ante todo hay que destacar un descubri- miento sorprendente, el de dos gases del aire que, en principio, resultaban

inclasificables: el árgon, encontrado en 1894 por Rayleigh y Ramsay (argon

en griego significa «inerte») y el helio, hallado por éste último en 1895. Por esta razón se creó para ellos un nuevo grupo, el grupo cero, dentro del cual se previó la existencia de otros elementos, que luego también fueron des- cubiertos, constituyendo este conjunto el grupo de los gases raros o gases

nobles.

Asimismo, se descubrieron otra serie de elementos, también inclasifica- bles, el grupo de las «tierras raras», al que se le dio después el nombre de lan-

tánidos, formado por 15 elementos. Se llegó así hasta 92 elementos, del 1

(hidrógeno) al 92 (uranio), todos ellos naturales, a los que posteriormente, ya muy entrado el siglo xx, se añadieron otros elementos que no se han encontrado en la naturaleza, sino que se han obtenido artificialmente en reacciones nucleares: son los elementos transuránidos, que forman parte de los actínidos.

Se llegó con todo a la tabla periódica más utilizada actualmente, elabora- da en 1905 porWerner, aunque con ciertos arreglos posteriores, constituida

por 18 columnas y 7 líneas horizontales.

Fue largo el camino el que llevó a su construcción definitiva, si bien ésta en gran parte fue debida gracias a una idea genial, la de Newlands, que sin embargo no tuvo en su momento ningún éxito, precisamente por su extre- ma originalidad.

Por otra parte, surge el parámetro del número atómico como número de orden en la tabla periódica. Pero, ¿tenía algún significado físico?, ¿había alguna conexión entre ese número y la constitución de la materia? Para encontrar la respuesta a estas preguntas, habrá que acudir a la elaboración de las teorías sobre la estructura del átomo.