Elementos químicos

La tabla periódica, tal como la conocemos hoy, es el producto de una evolución en la que contribuyeron hombres y mujeres de ciencia, que por medio de sus investigaciones lograron integrar y organizar los elementos químicos. Viajemos en el tiempo para conocer un poco de la historia de la tabla periódica.

En 1790, el francés Antonio Lavoisier recopiló una lista de 23 elementos, algunos de ellos como el oro, la plata, el carbón y el oxígeno. En 1829, el alemán Johann W. Döbereiner organizó los elementos químicos en grupos de tres, cada triada estaba constituida por elementos con propiedades químicas semejantes, mientras sus propiedades físicas variaban.

En 1864, el inglés John A. Newlands propuso un nuevo esquema de organización de 56 elementos químicos que conocía. Él observó que una vez que colocaba los elementos en orden creciente de su masa atómica, después de siete elementos, en el octavo se repetían las propiedades del primero. A está repetición periódica la llamó ley de las octavas, por la analogía con la escala musical (siete notas hacen una octava).

En 1869, el ruso Dimitri I. Mendeleiev publicó una tabla de 63 elementos, la cual los organizaba en orden creciente de sus masas atómicas pero, respetando sus semejanzas entre sus propiedades, además dejó lugares vacíos para futuros elementos químicos que se pudieran descubrir. Con el tiempo se percataron que, efectivamente, al descubrir nuevos elementos las masas se podrían determinar con mayor exactitud y por lo que varios elementos ya no estaban en los lugares correctos.

En 1912, el británico Henry G.J. Moseley, quien a partir de sus investigaciones sobre el protón determinó que le permitió determinar la carga nuclear de los átomos de los elementos, concluyó que existía una repetición periódica de las cargas físicas y químicas de éstos conforme aumentaba su número atómico, por lo tanto, se tomó como base para clasificarlos por su número atómico y no por su masa.

En 1951, el estadounidense Glenn T. Seaborg recibe el Premio Nobel de Química por descubrir los elementos transuránicos y sus propiedades, convenciendo con esto a la sociedad científica de ese momento a modificar la tabla periódica y colocar fuera de ella a los elementos muy pesados, que ocupaban un lugar principal en la tabla.

Después de la contribución de cada uno de los científicos, la tabla periódica ha experimentado diversos cambios para incluir nuevos elementos químicos, agregar datos más exactos, incluir información extra en cada uno y también agregar diferentes clasificaciones.

Actualmente existen 118 elementos químicos, 89 en la naturaleza, mientras que el resto ha sido creado artificialmente por el hombre. Los símbolos de los elementos químicos se escriben con una o dos letras como máximo. La primera se escribe con mayúscula y la siguiente en minúscula.

La tabla periódica moderna

Actualmente la tabla periódica está diseñada de acuerdo con el número atómico y la configuración electrónica de los elementos químicos. El diseño de esta tabla es una herramienta útil para los químicos y para los estudiantes. La estructura básica la conforman 18 columnas o grupos y siete filas o periodos, hay tantos periodos como niveles energéticos y cada uno inicia cuando empieza a llenarse un nuevo nivel.

Grupo

Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia, y por ello, tienen características o propiedades similares entre sí, por ejemplo los elementos del grupo IA tienen valencia 1 (un electrón en su último nivel de energía).

A los grupos se les asignan números romanos (numeración europea) y las letras A y B. La letra A indica grupo de elementos representativos (la configuración electrónica termina en general en orbitales s o p) y la B indica elementos no representativos o de transición (la configuración electrónica termina en orbitales d o f).

Grupo 1 A o familia de los metales alcalinos. Entre ellos no está considerado el hidrógeno que es un no metal. Los elementos de este grupo son brillantes y muy reactivos químicamente. Su reacción con el agua es muy violenta por su elevada reactividad con la naturaleza, no se encuentran en estado elemental, sólo combinados en forma de sales.

Grupo II A o familia de los metales alcalinotérreos. Se llaman alcalinos porque al reaccionar forman hidróxidos o álcalis y térreos por su aspecto de tierra. Los metales de este grupo son maleables y dúctiles. Conducen bien la electricidad y cuando se calientan arden fácilmente en el aire. Se les puede encontrar como sulfatos y carbonatos.

Grupo III A o familia del boro- aluminio o térreos. Son metales muy activos, con excepción del boro que tienen propiedades de un semimetal o metaloide. El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre. Generalmente se encuentran como óxidos.

Grupo IV A o familia de los carbonoides. El carbono es un no metal, le siguen 2 metaloides como el silicio y el germanio y metales como el estaño y el plomo. El carbono es el elemento más importante de la naturaleza debido a que da origen a las biomoléculas que son el sustento de la vida. El silicio es muy abundante en la corteza terrestre.

Grupo V A o familia de los nitrogenoides. El nitrógeno es un elemento esencial de las proteínas de todos los animales y plantas, constituye el 78% en volumen de la atmósfera y se encuentra formando sales. Los tres primeros elementos de este grupo son no metales.

Grupo VI A o familia de los anfígenos. Todos los elementos de esta familia son no metales excepto el polonio, se le encuentra en la naturaleza en, forma libre. También se les llama calcógenos que significa formados por cenizas. En esta familia se encuentra el oxígeno que es muy importante para la vida.

Grupo VII A familia de los halógenos. Son los elementos no metálicos con mayor actividad química. En la naturaleza no se encuentran en forma libre. Halógeno significa formadores de sal. Son los no metales más reactivos, capaces de reaccionar con todos los metales y no metales, incluso entre sí formando moléculas diatómicas. El astato es el más pesado y radioactivo, es carcinógeno.

Grupo VIII A familia de los gases nobles. Se encuentran al final de cada periodo. Son incoloros, diamagnéticos, no reactivos o inertes debido a su configuración electrónica estable.

Los grupos del IB al VIII B están formados por elementos metálicos, tienen la característica común de que sus átomos contienen órbitas internas incompletas.

Elementos radioactivos. Se dividen en dos series, los lantánidos y los actínidos, reciben el nombre de tierras raras o elementos de transición interna, son difíciles de separar y aun cuando se encuentran en la naturaleza son relativamente poco
comunes.

De los actínidos sólo existen en la naturaleza tres de ellos (torio, protactinio y uranio), los demás son sintéticos.

Los grupos también se clasifican en:

Periodo

Los elementos en un mismo periodo tienen el mismo nivel de energía pero diferentes propiedades químicas. Es importante notar que el último elemento químico de cada periodo es un gas noble. El número de niveles energéticos que tiene un átomo determina el periodo al cual pertenece. Cada nivel está dividido en distintos subniveles que, conforme aumenta su número atómico, se van llenando en este orden.

Debe notarse que los periodos tienen diferente longitud. Así, el primer periodo contiene dos elementos (hidrógeno y helio), en tanto que el segundo periodo tiene 8 elementos y el cuarto 18. Además esta longitud está en relación directa con el número de electrones que caben en las diferentes capas de Bohr y el número de electrones que se pueden describir con un valor dado del número cuántico.

Los periodos sexto y séptimo están recortados, aparecen separados en la parte inferior, esto con la finalidad de no tener una tabla demasiado larga.

Bloque

El desarrollo de las configuraciones electrónicas de los elementos da como resultado una tabla periódica donde la localización de los elementos químicos se presenta por regiones o bloques s, p, d y f, también llamadas clases.

Los dos primeros grupos de elementos representativos IA y IIA se conocen como bloque s, debido a que su configuración electrónica del estado fundamental termina en s.

Los grupos representativos del IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA y VIII A integran el bloque p. Los metales de transición forman el bloque d representados por IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB y VIIIB.

En el caso de los lantánidos y actínidos, que son metales de transición interna, forman el bloque f.

Propiedades periódicas y su variación en la tabla periódica

Las propiedades periódicas son muy importantes, ya que nos permiten predecir el comportamiento químico de los elementos.
Dentro de estas propiedades encontramos:

a) El tamaño de los átomos.
b) La afinidad electrónica.
c) La energía de ionización.
d) Electronegatividad.

Tamaño de los átomos

El tamaño de los átomos se precisa con su radio atómico. El radio atómico se define como la distancia que existe desde el centro del núcleo de un átomo hasta el último nivel de energía principal en donde existen electrones.

Las unidades de la longitud del radio atómico suelen expresarse en angstroms (1A= 1×10-¹⁰m) o en picómetros (1 pm= 1×10^-12 m).

Los radios atómicos aumentan de arriba abajo en un grupo, porque al incrementarse las capas electrónicas también aumenta la distancia al núcleo. En los periodos decrece de izquierda a derecha, debido a que el núcleo va aumentando de carga para un mismo periodo, por lo que los electrones son más fuertemente atraídos hacia el núcleo. El radio atómico aumenta al añadir un nuevo nivel de energía.

Afinidad electrónica

La afinidad electrónica es la tendencia que tienen los átomos a ganar electrones, convirtiéndose en iones negativos o aniones.

Los elementos pueden tener tendencia a ganar o a perder electrones. Los metales forman fácilmente iones positivos, los halógenos forman iones negativos y presentan mayor afinidad electrónica respecto de los elementos del grupo IA.

Energía de ionización

La energía de ionización se define como la energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo neutro, convirtiéndolo en ion positivo o catión. La magnitud de la energía de ionización es una medida del esfuerzo necesario para que un átomo libere un electrón y forme un ion positivo, o de cuan fuertemente está atraído un electrón por el núcleo en el átomo. A mayor energía de ionización es más fácil quitar el electrón.

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 es el litio y el de menor es el francio. Esto se debe a que el último electrón se sitúa en orbitales cada vez más alejados del núcleo y, a su vez, los electrones de las capas interiores ejercen un efecto de apantallamiento de la atracción nuclear sobre los electrones periféricos.

En los elementos de un mismo periodo, el potencial de ionización crece a medida que aumenta un número atómico, es decir de izquierda a derecha. Esto se debe a que el último electrón de los elementos de un periodo está situado en el mismo nivel energético, mientras que la carga del núcleo aumenta, por lo que será mayor la fuerza de atracción, y a su vez, el número de capas interiores no varía y el efecto pantalla no aumenta.

La energía de ionización más elevada corresponde a los gases nobles, ya que su configuración electrónica es la más estable, y por lo tanto habrá que proporcionarle más energía para arrancar un electrón.

Electronegatividad

La electronegatividad es la capacidad que tienen los átomos de atraer con mayor fuerza el par de electrones compartidos. Esta propiedad es muy importante porque nos permite explicar la naturaleza de los enlaces químicos.

La electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en cada periodo y disminuye de arriba a abajo en cada grupo. Los metales de la extrema izquierda tienen bajos valores de electronegatividad en comparación con los altos valores que poseen los no metales ubicados a la derecha de la tabla.

Utilidad e importancia de los metales y no metales para la vida socioeconómica del país

Los metales son muy útiles, ya que con ellos se fabrican herramientas, automóviles, estructuras, artículos de oficina, equipo médico, entre otros, pero son necesarios también los artículos como ropa, madera, alimentos, plásticos, etc., que forman parte de los no metales.

Las principales características entre metales y no metales son:

Desde hace mucho tiempo nuestro país ha tenido importancia económica en actividades como la agricultura, ganadería, pesca y minería, siendo, esta última consolidada en la actualidad como una de las actividades de singular relevancia.

Nuestro país sustenta una buena parte de su economía en el uso de los metales y no metales. En México prehispánico ya se conocían y se utilizaban varios metales como el oro, la plata, el cobre, el estaño, el mercurio y el plomo.

La producción minera actual en nuestro país es el oro, plata, cobre plomo, estaño, hierro, magnesio y zinc y los no metálicos como azufre, carbón fluorita, sílice, barita, yeso. Su importancia es que se utilizan como materia prima para muchos productos que tienen aplicaciones en diferentes ámbitos de la economía nacional o del sector salud.

La parte negativa del uso de elementos químicos es que producen residuos peligrosos que generan contaminación del agua, suelo y aire. Un ejemplo es que para extraer oro de las rocas es necesario utilizar mercurio, el cual es eliminado en ríos además de ser un metal muy tóxico. Otro ejemplo es el plomo, que proviene de la gasolina utilizada para los automóviles y provoca graves daños a la salud.

Fuente: Secretaría de Educación Pública. (2015). Química I. Ciudad de México.