Objetos de Aprendizaje

4.1 Elementos químicos:
Grupo,Periodo y Bloque.
4.2 Propiedades periódicas y su variación en la Tabla Periódica.
4.3 Utilidad de importancia de metales y no metales para la vida socioeconómica del país y el mundo.

ATRIBUTOS

Elementos Químicos

Los elementos químicos se encuentran ordenados en la tabla periódica con base en su número atómico y las propiedades que presentan, las cuales dependen de su configuración electrónica. La tabla periódica actual es el resultado de una serie de trabajos de diferentes científicos que propusieron varias formas de ordenar los elementos químicos.
Johann Dobereiner en 1829ordenó los elementos conocidos en grupos de tres, denominados tríadas con base a las en sus propiedades;pero hubo elementos que no pudieron ser incluidos. En 1864, John Newlands clasificó los elementos en grupos de ocho, conocidos como octavas, porque observó que las propiedades de los elementos que pertenecían a un grupo eran similares.
El trabajo de Mendeleiev, en 1869, es más reconocido porque permitió no sólo ordenar los elementos; sino también predecir la existencia de elementos no descurbiertos cuando él publicó su trabajo. A partir de los trabajos experimentales de Henry Moseley, el concepto de número atómico se llegó a la clasificación actual.

Energía de Ionización. 

La energía de ionización, también llamada potencial de ionización, es la energía que hay que suministrar a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, para arrancarle el electrón más débil retenido. 

Podemos expresarlo así:

X + 1ªE.I.  X⁺ + e^-

Siendo esta energía la correspondiente a la primera ionización. La segunda energía de ionización representa la energía necesaria para arrancar un segundo electrón y su valor es siempre mayor que la primera, ya que el volumen de un ión positivo es menor que el del átomo neutro y la fuerza electrostática es mayor en el ión positivo que en el átomo, ya que se conserva la misma carga nuclear:

X⁺ + 2ªE.I.  X²⁺ + e^-

Puedes deducir tú mismo el significado de la tercera energía de ionización y de las posteriores.

La energía de ionización se expresa en electrón-voltio, julios o en Kilojulios por mol (kJ/mol).

1 eV = 1,6.10^-19 culombios . 1 voltio = 1,6.10-19 julios

En los elementos de una misma familia o grupo la energía de ionización disminuye a medida que aumenta el número atómico, es decir, de arriba abajo.

En los alcalinos, por ejemplo, el elemento de mayor potencial de ionización es el litio y el de menor el francio. Esto es fácil de explicar, ya que al descender en el grupo el último electrón se sitúa en orbitales cada vez más alejados del núcleo y, además, los electrones de las capas interiores ejercen un efecto de apantallamiento frente a la atracción nuclear sobre los electrones periféricos por lo que resulta más fácil extraerlos.

En los elementos de un mismo período, la energía de ionización crece a medida que aumenta el número atómico, es decir, de izquierda a derecha.

Esto se debe a que el electrón diferenciador está situado en el mismo nivel energético, mientras que la carga del núcleo aumenta, por lo que será mayor la fuerza de atracción y, por otro lado, el número de capas interiores no varía y el efecto de apantallamiento no aumenta.

Sin embargo, el aumento no es continuo, pues en el caso del berilio y el nitrógeno se obtienen valores más altos que lo que podía esperarse por comparación con los otros elementos del mismo período. Este aumento se debe a la estabilidad que presentan las configuraciones s² y s²p³, respectivamente.

La energía de ionización más elevada corresponde a los gases nobles, ya que su configuración electrónica es la más estable, y por tanto habrá que proporcionar más energía para arrancar un electrón. Puedes deducir y razonar cuáles son los elementos que presentan los valores más elevados para la segunda y tercera energías de ionización.

Afinidad Electrónica.

Se llama afinidad electrónica, AE (o electroafinidad), a la energía que libera un átomo en estado gaseoso cuando capta un electrón y se transforma en un ion con carga -1, también en estado gaseoso.

Si un átomo tiene baja energía de ionización, cede con facilidad un electrón (no tiende a ganarlo); por ello, su afinidad electrónica será baja. Cuando un átomo tiene alta su energía de ionización, no tiene tendencia a perder electrones y sí a ganarlos. La afinidad electrónica varía en el sistema periódico igual que la energía de ionización.

Electronegatividad y caracter metálico.

La electronegatividad es un concepto químico más que una propiedad de los elementos aunque, por supuesto, el valor de dicha magnitud depende de su comportamiento químico.

La electronegatividad (E_N) mide la mayor o menor atracción -y, por tanto, desplazamiento- que un átomo ejerce sobre el par de electrones de un enlace con otro átomo.

Su valor se determina a partir de una escala. La más utilizada es la de Pauling, en la que, de forma arbitraria, el F tiene E_N 4,0 y el Cs 0,7.

Ésta es la propiedad relevante en relación con la capacidad de combinación de los átomos y el tipo de enlace que forman. 

Fíjate en la imagen para deducir cómo evoluciona la E_N. El color rojo indica valores altos de la propiedad, y el amarillo valores bajos. El color gris indica que no hay datos: como los gases nobles no forman enlaces, no se puede determinar E_N para ellos.

Variación de la electronegatividad 

La electronegatividad es máxima para los elementos con gran tendencia a captar electrones, situados en la parte derecha de la tabla, y mayor cuanto menor es la capa en la que se encuentran, debido a su cercanía al núcleo. Es mínima en los elementos con tendencia a perder electrones, situados a la izquierda de la tabla, y menor cuanto más grande es la capa en la que están los electrones más externos, ya que la atracción nuclear es menor.

Los metales

Son los elementos que tienen tendencia a perder electrones, formando iones positivos. Ese proceso se llama oxidación. Por el contrario, los no metales ganan electrones, reduciéndose.

La mayor parte de los elementos conocidos son metales, y se conocen desde la antigüedad: hierro, cobre, oro, plata, etc.

¿Dónde están los metales en la tabla periódica? En la parte izquierda, mientras que los no metales se encuentran a la derecha. Los gases nobles no tienen carácter metálico o no metálico.

Los elementos son más reactivos cuanto más metálicos o más no metálicos son, ya que entonces tienen más tendencia a transferir electrones, oxidándose en unos casos y reduciéndose en otros.

Fíjate en la violencia de la reacción del litio con agua, formándose hidróxido de litio en disolución y desprendiéndose hidrógeno según indica la ecuación del proceso

2 Li(s) + 2 H₂O → 2 LiOH(aq) + H₂(g)h

Los metales son elementos con electronegatividad baja, mientras que los no metales tienen electronegatividad alta.

Semimetales

Hay un conjunto de elementos que tienen electronegatividades intermedias y que presentan características tanto de metales como de no metales. Estos elementos se conocen como semimetales o metaloides (en rojo en la tabla de la imagen).

El más típico es el silicio, que tiene una conductividad de la corriente eléctrica próxima a la de los metales (toda la moderna tecnología electrónica se basa en circuitos integrados de silicio). Aunque no hay un consenso generalizado sobre cuáles son los semimetales, en la imagen puedes ver una de las clasificaciones más habituales.

Historia de la tabla periódica.

Evolución de la tabla periódica.

Triadas de Döbereiner.

A principios del siglo XIX, se conocían la suficiente cantidad de elementos y compuestos como para que fuese necesario hacer una clasificación con el fin de facilitar su comprensión y estudio.
Desde el principio se supo de la existencia de familias de elementos que compartían propiedades y semejanzas entre sí, intuyéndose que debía de existir una ley natural que tendiese a agrupar y relacionar con lógica a los elementos. La búsqueda de esta ley está llena de intentos, como las Triadas de Döbereiner , las octavas de Newlands, el tornillo telúrico de Charcourtois, etc, todos ellos basados generalmente en dos criterios fundamentales:

1. La similitud de las propiedades fisicoquímicas de los elementos
2. La relación entre las propiedades y alguna característica atómica como la masa atómica.

Muchos de los intentos por encontrar una forma de agrupación o clasificación de los elementos, ya sea por su originalidad o por su éxito merecen un reconocimiento, y este es el caso de las Triadas de Döbereiner.

Las Triadas de Döbereiner, fue uno de los primeros intentos de clasificación de los elementos químicos, según la similitud de las propiedades, relacionando sus pesos atómicos. Esta clasificación fue realizada por Johann Wolfgang Döbereiner, un químico alemán, que entre otras cosas también estudió los fenómenos de catálisis.

Döbereiner, en 1817, declaró la similitud entre las propiedades de algunos grupos de elementos, que variaban progresivamente desde el primero al último. Veinte años después, en 1827, destacó la existencia de otras agrupaciones de tres elementos, que seguían una análoga relación entre sí.

 Estos grupos eran:

1. Cloro, bromo y yodo
2. Azufre, selenio y telurio
3. Litio, sodio y potasio

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A estos grupos de elementos, agrupados de tres en tres, se le conoció con el nombre de triadas.
De estos grupos de tres se continuaron encontrando, hasta que en 1850 ya se tenía conocimiento de entorno a 20 triadas.

Döbereiner hizo un intento de relacionar las propiedades y semejanzas químicas de los elementos y de sus compuestos, con las características atómicas de cada uno de ellos, que en ese caso se trataba de los pesos atómicos, viéndose un gran parecido entre ellos, y una variación progresiva y gradual desde el primero hasta el tercero o último de la triada.

En la clasificación de las triadas (ordenamiento de tres elementos), el químico alemán intentó explicar que el peso atómico medio de los elementos que se encuentran en los extremos de las triadas, es similar al peso atómico de los elementos que se encuentran en la mitad de la triada. Por ejemplo: la triada Cloro, bromo y Yodo, tiene respectivamente 36,80, y 127 respectivamente, en cuanto al peso atómico se refiere. Si realizamos la suma de los extremos, es decir 36+127 y a su vez, la dividimos entre 2, el resultado es 81, o lo que es lo mismo, un número próximo a 80, que casualmente es el número atómico del elemento del medio, es decir, del bromo, hecho que hace que encaje perfectamente en el ordenamiento de la triada.

Tabla periódica de Mendeleiev y Meyer (1969).

El químico ruso Dimitri Mendeleiev y el alemán Lothar Meyer, en base a trabajos de investigación que realizaron simultáneamente e independientemente publicaron una “tabla periódica de los elementos”, siendo la primera tabla periódica que se realizó.

Mendeleiev se basó principalmente en las propiedades químicas (tipos de óxidos, tipos de hidrocloruros, valencia, etc.). Según Mendeleiev – las propiedades de los elementos era una función periódica de su peso atómico- lo que llamó “Ley periódica de los elementos”.

Mendeleiev se basó principalmente en las propiedades químicas (tipos de óxidos, tipos de hidrocloruros, valencia, etc.). Según Mendeleiev – las propiedades de los elementos era una función periódica de su peso atómico- lo que llamó “Ley periódica de los elementos”.

Descripción de la tabla de Mendeleiev:

1. Los 63 elementos conocidos hasta ese entonces fueron ordenados en función creciente a su peso atómico en filas horizontales y grupos (columnas)

2. Los elementos de un mismo grupo poseen propiedades semejantes, por ejemplo forman óxidos e hidrocloruros de fórmula idéntica. Los elementos de cada fila forman un “Periodo”, que indica el número de niveles de energía.

3. Los elementos de cada columna, que forman un “Grupo”, poseen propiedades semejantes y se subdividen en familias A y B; los grupos generalmente indican los electrones del último novel de energía. En este ordenamiento los elementos con propiedades similares están en un mismo grupo.

4. Mendeleiev observó que para ordenar en grupos, era necesario dejar espacios o casilleros vacíos para nuevos elementos aún no descubiertos o incluso le puso nombre a cada uno de estos elementos no conocidos utilizando: eka = primero y dvi = segundo.

Ley periódica de Mendeleiev:

Mendeleiev observó que las propiedades de los elementos se repetían periódicamente; es por ello que la tabla periódica se conoce como “tabla periódica de los elementos” y enunció la siguiente Ley Periódica:

“Las propiedades de los elementos son función periódica a sus masas atómicas”

Ventajas de la tabla de Mendeleiev:

1. Permitió determinar nuevas propiedades de los elementos.

2. Permitió tener una idea mas general de la clasificación de los elementos.

3. Predijo la existencia de nuevos elementos , por ejemplo: Escandio, Germanio y Renio.

4. En su época Mendeleiev clasificó a 63 elementos que conocía y para predecir las propiedades de los elementos no descubiertos, determinó que las propiedades de los elementos se encontraban relacionadas con los elementos que los circundaban.

Ejemplo:

La masa atómica del Eka – Silicio, se obtenía mediante el promedio de las masas atómicas de sus elementos vecinos en cruz.

Clasificación periodica de los elementos a partir de Dalton.

Clasificación periodica de los elementos a partir de Dalton.

Dalton.

A principios del siglo XIX, John Dalton (1766–1844) desarrolló una nueva concepción del atomismo, al que llegó gracias a sus estudios meteorológicos y de los gases de la atmósfera. Estableció como unidad de referencia la masa de un átomo de hidrógeno (aunque se sugirieron otros en esos años) y refirió el resto de los valores a esta unidad, por lo que pudo construir un sistema de masas atómicas relativas.

A partir de la teoría atómica de Dalton, los químicos intentaron conjugar las masas atómicas de los elementos con sus propiedades. Y empezaron a clasificar los elementos por sus propiedades análogas

Metales, no metales, metaloides y metales de transición

La primera clasificación de elementos conocida, fue propuesta por Antoine Lavoisier (1743-1794), quien propuso que los elementos se clasificaran en metales, no metales y metaloides o metales de transición. Aunque muy práctico y todavía funcional en la tabla periódica moderna, fue rechazada debido a que había muchas diferencias en las propiedades físicas como químicas.

Berzelius (1779-1848)

Calcula masas atómicas de los elementos conocidos entonces lo que hace posible ordenarlos según esta propiedad. Berzelius incorporó un sistema de notación simplificado que utiliza una o dos letras para representar a los distintos elementos (derivadas con frecuencia de sus nombres en latín). Este sistema de símbolos es el que se sigue utilizando en la actualidad. Además, estableció una escala correcta de pesos atómicos que, a diferencia de los de Dalton, no eran números enteros. 

Tríadas de Döbereiner

Uno de los primeros intentos para agrupar los elementos de propiedades análogas y relacionarlo con los pesos atómicos se debe al químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner (1780–1849) quien en 1817 puso de manifiesto el notable parecido que existía entre las propiedades de ciertos grupos de tres elementos, con una variación gradual del primero al último. Posteriormente (1827) señaló la existencia de otros grupos de tres elementos en los que se daba la misma relación (cloro, bromo y yodo; azufre, selenio y telurio; litio, sodio y potasio). A estos grupos de tres elementos se les denominó tríadas y hacia 1850 ya se habían encontrado unas 20, lo que indicaba una cierta regularidad entre los elementos químicos.

Hélice de Chancourtois

En 1864, Chancourtois construyó una hélice de papel, en la que estaban ordenados por pesos atómicos (masa atómica) los elementos conocidos, arrollada sobre un cilindro vertical. Se encontraba que los puntos correspondientes estaban separados unas 16 unidades. Los elementos similares estaban prácticamente sobre la misma generatriz, lo que indicaba una cierta periodicidad, pero su diagrama pareció muy complicado y recibió poca atención.

Ley de las octavas de Newlands

En 1864, el químico inglés John Alexander Reina Newlands comunicó al Royal College of Chemistry (Real Colegio de Química) su observación de que al ordenar los elementos en orden creciente de sus pesos atómicos (prescindiendo del hidrógeno), el octavo elemento a partir de cualquier otro tenía unas propiedades muy similares al primero. En esta época, los llamados gases nobles no habían sido aún descubiertos.

Esta ley mostraba una cierta ordenación de los elementos en familias (grupos), con propiedades muy parecidas entre sí y en Periodos, formados por ocho elementos cuyas propiedades iban variando progresivamente.

El nombre de octavas se basa en la intención de Newlands de relacionar estas propiedades con la que existe en la escala de las notas musicales, por lo que dio a su descubrimiento el nombre de ley de las octavas.

Como a partir del calcio dejaba de cumplirse esta regla, esta ordenación no fue apreciada por la comunidad científica que lo menospreció y ridiculizó, hasta que 23 años más tarde fue reconocido por la Royal Society, que concedió a Newlands su más alta condecoración, la medalla Davy.

Tabla periódica de Mendeléyev

En 1869, el ruso Dmitri Ivánovich Mendeléyev publicó su primera Tabla Periódica en Alemania. Un año después lo hizo Julius Lothar Meyer, que basó su clasificación periódica en la periodicidad de los volúmenes atómicos en función de la masa atómica de los elementos.

Por ésta fecha ya eran conocidos 63 elementos de los 90 que existen en la naturaleza. La clasificación la llevaron a cabo los dos químicos de acuerdo con los criterios siguientes:

• Colocaron los elementos por orden creciente de sus masas atómicas.
• Situaron en el mismo grupo elementos que tenían propiedades comunes como la valencia.

 La primera clasificación periódica de Mendeléyev no tuvo buena acogida al principio. Después de varias modificaciones publicó en el año 1872 una nueva Tabla Periódica constituida por ocho columnas desdobladas en dos grupos cada una, que al cabo de los años se llamaron familia A y B.

En su nueva tabla consigna las fórmulas generales de los hidruros y óxidos de cada grupo y por tanto, implícitamente, las valencias de esos elementos.

Esta tabla fue completada a finales del siglo XIX con un grupo más, el grupo cero, constituido por los gases nobles descubiertos durante esos años en el aire. El químico ruso no aceptó en principio tal descubrimiento, ya que esos elementos no tenían cabida en su tabla. Pero cuando, debido a su inactividad química (valencia cero), se les asignó el grupo cero, la Tabla Periódica quedó más completa.

El gran mérito de Mendeléyev consistió en pronosticar la existencia de elementos. Dejó casillas vacías para situar en ellas los elementos cuyo descubrimiento se realizaría años después. Incluso pronosticó las propiedades de algunos de ellos: el galio (Ga), al que llamó eka–aluminio por estar situado debajo del aluminio; el germanio (Ge), al que llamó eka–silicio; el escandio (Sc); y el tecnecio (Tc), que, aislado químicamente a partir de restos de un sincrotrón en 1937, se convirtió en el primer elemento producido de forma predominantemente artificial.

La noción de número atómico y la mecánica cuántica

La tabla periódica de Mendeléyev presentaba ciertas irregularidades y problemas. En las décadas posteriores tuvo que integrar los descubrimientos de los gases nobles, las "tierras raras" y los elementos radioactivos. Otro problema adicional eran las irregularidades que existían para compaginar el criterio de ordenación por peso atómico creciente y la agrupación por familias con propiedades químicas comunes. Ejemplos de esta dificultad se encuentran en las parejas telurio–yodo, argón–potasio y cobalto–níquel, en las que se hace necesario alterar el criterio de pesos atómicos crecientes en favor de la agrupación en familias con propiedades químicas semejantes.

Durante algún tiempo, esta cuestión no pudo resolverse satisfactoriamente hasta que Henry Moseley (1867–1919) realizó un estudio sobre los espectros de rayos X en 1913. Moseley comprobó que al representar la raíz cuadrada de la frecuencia de la radiación en función del número de orden en el sistema periódico se obtenía una recta, lo cual permitía pensar que este orden no era casual sino reflejo de alguna propiedad de la estructura atómica. Hoy sabemos que esa propiedad es el número atómico (Z) o número de cargas positivas del núcleo.

La explicación que aceptamos actualmente de la "ley periódica" descubierta por los químicos de mediados del siglo pasado surgió tras los desarrollos teóricos producidos en el primer tercio del siglo XX. En el primer tercio del siglo XX se construyó la mecánica cuántica. Gracias a estas investigaciones y a los desarrollos posteriores, hoy se acepta que la ordenación de los elementos en el sistema periódico está relacionada con la estructura electrónica de los átomos de los diversos elementos, a partir de la cual se pueden predecir sus diferentes propiedades químicas.