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Capítulo III:

Los elementos químicos

El mundo de la química

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.

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

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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.

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

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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.

1894. William Ramsay descubrió el argón, no predicho por Mendeleiev.

1914. Moseley ordenó los elementos de acuerdo con el número atómico.

La tabla periódica a través de su historia

John A.R. Newlands

Johann Döbereiner Dimitri Mendeleiev

William Ramsay

Lothar Meyer Henry Moseley

Preparada por el equipo de “El mundo de la química” de Fundación Polar. Diagramado y realizado por Rogelio Chovet

1,008 2,1 -259,2 1 ±1 0,37 H Hidrógeno 6,94 1,0 180,5 3 1 1,34 Li Litio 9,01 1,5 1277 4 2 1,12 Be Berilio 22,99 0,9 97,8 11 1 1,90 Na Sodio 24,31 1,2 650 12 1,2 1,60 Mg Magnesio 39,10 0,8 97,8 19 1 2,35 K Potasio 40,08 1,0 838 20 2 1,97 Ca Calcio 44,96 1,3 1539 21 3 1,62 Sc Escandio 47,90 1,5 1668 22 2,3,4 1,47 Ti Titanio 50,94 1,6 1900 23 2,3,4,5 1,34 V Vanadio 51,99 1,6 1875 24 2,3,4,5,6 1,27 Cr Cromo 54,94 1,5 1245 25 2,3,4,6,7 1,26 Mn Manganeso 55,85 1,8 1536 26 2,3 1,26 Fe Hierro 58,93 1,8 1495 27 2,3 1,25 Co Cobalto 58,71 1,8 1453 28 2,3 1,24 Ni Níquel 63,54 1,9 1083 29 1,2 1,28 Cu Cobre 65,37 1,6 419,5 30 2 1,38 Zn Zinc 69,72 1,6 29,8 31 3 1,41 Ga Galio 26,98 1,5 660 13 3 1,43 Al Aluminio 10,81 2,0 2030 5 3 0,98 B Boro 12,01 2,5 3727 6 ±4,2 0,91 C Carbono 14,01 3,0 -218,8 7 ±3,1,2,4,5 0,92 N Nitrógeno 15,99 3,5 -218,8 8 -2 0,73 O Oxígeno 18,99 4,0 -219,6 9 -1 0,72 F Flúor 4,00 --269,7 2 0 0,93 He Helio 20,18 --248,6 10 0 1,31 Ne Neón 28,08 1,8 1410 14 4 1,32 Si Silicio 30,97 2,1 44,2 15 ±3,5 1,28 P Fósforo 32,06 2,5 119 16 ±2,4,6 1,02 S Azufre 35,45 3,0 -101,0 17 ±1,3,5,7 0,99 Cl Cloro 35,95 --189,4 18 0 1,74 Ar Argón 72,59 1,8 937,4 32 4 1,37 Ge Germanio 74,92 2,1 817 33 ±3,5 1,39 As Arsénico 78,96 2,4 217 34 ±2,4,6 1,40 Se Selenio 79,91 2,8 -7,2 35 ±1,3,5,7 1,14 Br Bromo 83,80 --157,3 36 0 1,89 Kr Kriptón 131,30 --111,9 54 0 2,09 Xe Xenón 126,90 2,5 113,7 53 ±1,3,5,7 1,33 I Yodo 127,60 2,1 449,5 52 ±2,4,6 1,60 Te Teluro 121,76 1,9 630,5 51 ±3,5 1,38 Sb Antimonio 118,69 1,8 231,9 50 2,4 1,62 Sn Estaño 114,82 1,7 156,6 49 3 1,66 In Indio 112,40 1,7 320,9 48 2 1,54 Cd Cadmio 107,87 1,9 960,8 47 1 1,44 Ag Plata 106,40 2,2 1552 46 2,4 1,37 Pd Paladio 102,91 2,2 1966 45 2,3,4,6 1,34 Rh Rodio 101,07 2,2 2500 44 2,3,4,6,8 1,34 Ru Rutenio 97,00 1,9 21,40 43 7 1,36 Tc Tecnecio 95,94 1,8 2610 42 2,3,4,5,6 1,39 Mo Molibdeno 92,91 1,6 2468 41 2,3,4,5 1,46 Nb Niobio 91,22 1,4 1852 40 2,3,4 1,60 Zr Circonio 88,91 1,2 1509 39 3 1,80 Y Itrio 87,62 1,0 768 38 2 2,15 Sr Estroncio 85,47 0,8 38,9 37 1 2,48 Rb Rubidio 132,91 0,86 28,7 55 1 2,67 Cs Cesio 137,34 0,9 714 56 2 2,22 Ba Bario 138,91 1,1 920 57 3 1,87 La Lantano 72 2,3,4 1,58 Hf 180,95 1,53 2996 73 2,3,4,5 1,46 Ta Tantalio 183,85 1,7 3410 74 2,3,4,5,6 1,39 W Wolframio 186,20 1,9 3180 75 2,4,6,7 1,37 Re Renio 190,20 2,2 3000 76 2,3,4,6,8 1,35 Os Osmio 192,20 2,2 2454 77 2,3,4,6 1,36 Ir Iridio 195,09 2,2 1769 78 2,4 1,38 Pt Platino 196,97 2,4 1063 79 1,3 1,44 Au Oro 200,59 1,9 -38,4 80 1,2 1,57 Hg Mercurio 204,37 1,8 303 81 1,3 1,71 Tl Talio 207,19 1,9 327,4 82 2,4 1,75 Pb Plomo 208,98 1,9 271,3 83 3,5 1,70 Bi Bismuto 210,00 2,0 254 84 4,6 1,76 Po Polonio 210,00 2,0 302 85 -At Astato 222 --71 86 0 2,14 Rn Radón 223,00 0,8 27 87 1 1,76 Fr Francio 226,00 0,9 700 88 2 1,4 Ra Radio 227,00 1,1 700 89 3 1,878 Ac Actinio 261,11 104 Una Rutherfordio Rf** 261,12 105 Ha*** Hahnio 263,12 106 Sg Unh Seaborgio 262,12 107 Bh Uns Bohrio 265 108 Hs Uno Hassio 266 109 Mt Une Meitnerio 110 Uun Ununnilio 111 Uuu Unununio 112 Uub Ununbio

Metales No metales

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

18 Halógenos Gases nobles Familia del boro Familia del carbono Pricógenos Chalcó-genos 1,008 2,1 -259,2 1 ±1 0,37

H

Hidrógeno Masa atómica Electronegatividad

Punto de fusión (ºC)

Número atómico

Número de oxidación (Valencia) Metales

alcalinos

Metales alcalino-térreos

Subnivel d • elementos de transición * [(n-1)d1-10ns2]

1 *[1s] 2 *[2s 2p] 3 *[3s 3p] 4 *[4s 3d 4p]

5 *[5s 4d 5p]

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

7 *[7s (5f) 6d]

Sólidos Líquidos Gases

Subnivel p (excepto el Helio) *[ns2 p1-6] Subnivel s

*[ns1-2]

140,12 1,1 795 58 3,4 1,81 Ce Cerio 140,91 1,1 935 59 3,4 1,82 Pr Praseodimio 144,24 1,2 1024 60 3 1,82 Nd Neodimio 147,00 -1027 61 3 1,83 Pm Promecio 150,35 1,1 1070 62 2,3 1,66 Sm Samario 151,96 1,0 826 63 2,3 2,04 Eu Europio 157,25 1,1 1312 64 3 1,79 Gd Gadolinio 158,93 1,2 1356 65 3,4 1,77 Tb Terbio 162,50 1,1 1407 66 3 1,77 Dy Disprosio 164,93 1,2 1461 67 3 1,76 Ho Holmio 167,26 1,2 1497 68 3 1,75 Er Erbio 168,93 1,2 1545 69 2,3 1,74 Tm Tulio 173,04 1,1 824 70 2,3 1,92 Yb Iterbio 174,97 1,2 1652 71 3 1,74 Lu Lutecio 232,04 1,3 1750 90 3 1,82 Th Torio 231,00 1,5 1230 91 5 1,63 Pa Protactinio 238,03 1,7 1132 92 3,4,5,6 1,56 U Uranio 237,05 1,3 637 93 3,4,5,6 1,56 Np Neptunio 242,00 1,2 640 94 3,4,5,6 1,63 Pu Plutonio 243,00 -95 3,4,5,6 1,06 Am Americio 247,00 -96 3 -Cm Curio 247,00 -97 3, 4 -Bk Berkelio 251,0 -98 3 -Cf Californio 254,00 -99 -Es Einstenio 257,00 -100 -Fm Fermio 258,00 -101 -Md Mendelevio 259,00 -102 -No Nobelio 262,00 -103 -Lr Laurencio Subnivel f • elementos de transición interna * [(n-2)f1-14 (n-1)d1-10 ns1-2]

Tierras Raras I [Serie 4f]

Tierras Raras II [Serie 5f]

* Configuración electrónica general ** Rf(z=104) también llamado Kurchutovio (Ku) *** Ha(z=105) también llamado Dubnio (Db)

178,49 1,3 2222

Actínidos *[5f1-14 6d1-10 7s2]

Lantánidos *[4f1-14 5d1-10 6s2]

Metaloides

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

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Orden en el caos: se organizan los elementos en la tabla periódica

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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.

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.

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Z

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.

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.

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.

Tabla periódica de Theodor Benfey

Tabla periódica de Timmothy Stowe

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Grupo 13

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.

B = Boro In = Indio Al = Aluminio Tl = Talio Ga = Galio

Bloque de aluminio para motor

Metales alcalino-térreos (Grupo 2)

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.

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

Quema de una cinta de magnesio

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Metales alcalinos (Grupo 1)

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.

Organización de los elementos en la tabla periódica

Li = Litio Rb = Rubidio Na = Sodio Cs = Cesio K = Potasio Fr = Francio

Reacción del sodio con el agua

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Metales de transición (Grupos 3 al 12)

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.

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.

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Grupo 17

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.

F = Flúor I = Iodo Cl = Cloro At = Astatino Br = Bromo

Cloro

Grupo 16

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.

O = Oxígeno Te = Telurio S = Azufre Po = Polonio Se = Selenio

Emanación volcánica sulfurosa

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.

N = Nitrógeno Sb = Antimonio P = Fósforo Bi = Bismuto As = Arsénico

Nitrógeno líquido

Organización de los elementos en la tabla periódica

Grupo 14

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.

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

Piedra de carbonato de silicio

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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.

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Gases nobles (Grupo 18)

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.

He = Helio Kr = Kriptón Ne = Neón Xe = Xenón Ar = Argón Rn = Radón

Globo de helio

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.

Interesante: Las tierras raras

Lutecio.

Fuente: www.theodoregray.com

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Apoyo didáctico

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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?

• 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?

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