03/03/2024

La tabla periódica

La tabla periódica, que hoy todos los estudiantes aprenden de memoria, es considerada por muchos el descubrimiento más importante de la química. Fue descubierta en 1869 por el químico ruso Dmitri MendeléyevDmitri Ivánovich MendeléyevDmitri Ivánovich MendeléyevWikipedia y organizar los elementos químicos conocidos según sus propiedades físicas. La información que aportó sobre el orden del mundo químico permitió predecir el descubrimiento de elementos desconocidos y marcó el curso de la investigación teórica futura.

Las reacciones químicas están presentes en gran parte de la vida cotidiana, desde la cocina hasta el funcionamiento del organismo. Hay un patrón que constituye la base de la química: la tabla periódica. La estructura de la tabla refleja el patrón subyacente de la configuración de los átomos: cada una de las columnas de la tabla corresponde al número de electrones en la capa exterior de su estructura atómica. Es el patrón que determina cómo se combinarán los elementos para formar moléculas, desde los compuestos más simples, como el cloruro sódico, hasta magníficas estructuras naturales, como la doble espiral del ADNÁcido desoxirribonucleicoEl ácido desoxirribonucleico, conocido también por las siglas ADN, es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos y algunos virus (los virus ADN); también es responsable de la transmisión hereditaria. La función principal de la molécula de ADN es el almacenamiento a largo plazo de información para construir otros componentes de las células, como las proteínas y las moléculas de ARN. Los segmentos de ADN que llevan esta información genética son llamados genes, pero las otras secuencias de ADN tienen propósitos estructurales o toman parte en la regulación del uso de esta información genética. Wikipedia. Dmitri Mendeléyev comenzó a crear lo que hoy en día se conoce como la tabla periódica moderna. Sin embargo, hubo muchos otros químicos cuyo trabajo también contribuyó a su desarrollo.

El químico inglés John DaltonJohn DaltonJohn DaltonWikipedia explicó la complejidad de la materia como una combinación de átomos de diferentes elementos. El átomoÁtomoEl átomo es la parte más pequeña de la materia que tiene propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. Los átomos son microscópicos; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). No obstante, los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos. Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. Wikipedia de cada elemento tenía un peso diferente, a partir del hidrógeno como el más ligero. Dalton elaboró una tabla de los elementos que presentaba algunos errores como, por ejemplo, clasificar como elementos algunos compuestos, pero resultó sorprendentemente acertada teniendo en cuenta que trabajaba con equipos que eran poco eficientes incluso para los estándares de la época.

Tabla periódica de John Dalton
Símbolos desarrollados por Dalton para algunos elementos químicos y sus compuestos más comunes. Es importante señalar que, originalmente, Dalton habla de «soda» haciendo referencia al «sodio», y «potasa» en el caso del «potasio»; por otro lado, el agua que indica tiene solo un átomo de oxígeno y un hidrógeno, y en el caso del amonio, un hidrógeno y un nitrógeno, mientras que su ácido sulfúrico tiene un azufre y tres oxígenos.

También especuló sobre el modo en que algunos elementos se combinan para producir compuestos, materiales en los que dos o más elementos se unen siempre en las mismas proporciones. Una vez más, no estaba del todo en lo cierto, ya que asumió incorrectamente que estos elementos se combinaría en el menor número posible. Por ejemplo, sabía que el agua combinaba hidrógeno y oxígeno, pero asumió que una molécula de agua tenía una parte de cada uno, cuando sabemos que tiene el doble de átomos de hidrógeno en la conocida fórmula H2O. Dalton estableció las bases de la teoría atómica moderna, pero no pudo dar el siguiente paso en su estructura. En este momento, todos eran conscientes de que algunos elementos tenían similitudes entre ellos.

En la década de 1820, Johan DöbereinerJohann Wolfgang DöbereinerJohann Wolfgang DöbereinerWikipedia descubrió similitudes entre varios grupos de tres elementos, a los que llamó triadas; por ejemplo, la de los metales litio, sodio y potasio, o la de las sustancias químicas reactivas cloro, bromo o yodo. El mismo problema se le presentó a John NewlandsJohn Alexander Reina NewlandsJohn Alexander Reina NewlandsWikipedia quien, en la década de 1860, siguió el ejemplo de Isaac NewtonIsaac NewtonIsaac NewtonWikipedia.

A Newton le podemos agradecer la idea (o culpar de ella) de que el arco irisArcoírisUn arcoíris o arco iris es un fenómeno óptico y meteorológico que causa la aparición en la atmósfera terrestre de un arco multicolor, a veces, doble, por la descomposición de la luz solar en el espectro visible. Se produce por refracción, cuando la luz atraviesa gotas de agua. Está formado por arcos concéntricos de colores, sin solución de continuidad entre ellos, con el rojo hacia la parte exterior y el violeta hacia el interior. A altitud suficiente, por ejemplo cuando se viaja en avión, el arcoíris se puede observar en forma de círculo completo. Wikipedia contenga los siete colores:  rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. No hay una buena razón para llegar a ese número de siete colores, se piensa que Newton probablemente asumió que había algún tipo de carácter natural especial en el número, paralelo a las siete notas de la octava musical. De un modo parecido, Newlands intentó construir un patrón en el que los elementos se agrupaban en siete tipos diferentes a medida que aumentaban los pesos, y que volvía a asemejarse a partir del octavo elemento u octavaOctava (música)Se denomina octava al intervalo de ocho grados entre dos notas de la escala musical. Wikipedia.

Tanto a Döbereiner como a Newlands, y a algunos más, se les ocurrió cometer el error de adoptar un enfoque filosófico al tratar de imponer un patrón arbitrario a la naturaleza, en lugar de un enfoque científico en la búsqueda de un patrón con una mente abierta y ver lo que estaba presente en los datos. En la segunda mitad del siglo XIX empezó a reconocerse el valor de la valenciaValencia (química)La valencia es el número de electrones que le faltan o debe ceder un elemento químico para completar su último nivel de energía. Estos electrones son los que pone en juego durante una reacción química o para establecer un enlace químico con otro elemento. Hay elementos con más de una valencia, por ello fue reemplazado este concepto con el de números de oxidación que finalmente representa lo mismo. A través del siglo XX, el concepto de valencia ha evolucionado en una amplia gama de aproximaciones para describir el enlace químico, incluyendo la estructura de Lewis (1916), la teoría del enlace de valencia (1927), la teoría de los orbitales moleculares (1928), la teoría de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (1958) y todos los métodos avanzados de química cuántica. Wikipedia (aunque no recibiría el nombre hasta la década de 1880).

La valencia es un patrón de la forma en que los diferentes elementos se combinan entre sí. En lugar de poder unirse en una combinación arbitraria, cada elemento en particular se combinaría típicamente con números específicos de otros átomos. Una forma de ver la valencia de un elemento consiste en determinar con cuantos elementos de uno simple, como el hidrógeno, que se considera que tiene una valencia de uno, se combina con él. Aunque estas valencias se extiende más allá de los enlaces con el hidrógeno. Aunque las cosas no son tan simples como sugiere la descripción (por ejemplo, también hay un monóxido de carbono con sólo un oxígeno por cada carbono), se obtuvo un patrón natural que se podía utilizar para construir una tabla de relaciones mejor basada en la realidad que las octavas de Newlands. El químico alemán Lothar MeyerJulius Lothar MeyerJulius Lothar MeyerWikipedia, que trabajó casi al mismo tiempo que Newlands, hizo una tabla menos agradable desde el punto de vista estético, pero más precisa, simplemente agrupando los elementos por sus valencias.

Al mismo tiempo, en Rusia, el científico Dmitri Mendeléyev también estudiaba la estructura implícita en la valencia y otras características de los elementos. Produjo su primer intento de tabla en 1869, y en un par de años había desarrollado algo que se parecía más a la tabla moderna (aunque con las pilas y las columnas traspuestas). Tal era el poder del patrón, que Mendeléyev creyó haber desvelado la existencia de elementos que aún no se habían descubierto.

A cada uno de los huecos que encontró pegar eso en su tabla le dio el nombre de elemento que está encima de él en la tabla con el prefijo «eka» ( «uno», en sánscrito). Por ejemplo, Mendeléyev predijo la existencia del que ahora llamamos germanio, al que dio del nombre de ekasilicio, 17 años antes de que se descubriera este elemento.

Tanto Mendeléyev como sus contemporáneos ignoraban totalmente el porqué del funcionamiento de la tabla, así como la razón de su extraña estructura simétrica. La razón es que es un patrón que no fue concebido por las mentes humanas, sino que tiene su origen en los fundamentos básicos de la naturaleza: la distribución de los electrones en el átomo.

El equipo del RutherfordErnest RutherfordErnest RutherfordWikipedia descubrió el núcleo atómico, e hizo que pareciera que la estructura del átomo era similar a la del sistema solar, siendo el núcleo el equivalente al sol y los electrones en movimiento a su alrededor en órbitas como planetas. Su simplicidad y agradable paralelismo con un sistema solar ha hecho que hasta hoy siga siendo una imagen gráfica más común para la estructura del átomo, pero la realidad es muy diferente.

Debemos su comprensión al desarrollo de la física cuántica, impulsada por el trabajo del físico danés Niels BohrNiels Henrik David BohrNiels Henrik David BohrWikipedia, quien inició este avance mientras trabajaba para router Ford en Mánchester, Inglaterra. Desde el principio Bohr se dio cuenta de que un modelo como el del sistema solar no podía funcionar, ya que, a diferencia de los planetas, los electrones están cargados eléctricamente. Cuando una partícula cargada eléctricamente como un electrón se acelera, emite energía en forma de fotones. Así funciona, por ejemplo, una emisión de radio: los electrones acelerados emiten fotones en el rango de energía de las ondas de radio.

Estar en órbita implica una aceleración constante. esto no se debe a que el cuerpo vaya más rápido en su órbita, sino que sufre un cambio continuo de dirección, y esto es en sí mismo como una forma de la aceleración. En consecuencia, un electrón que girará en una trayectoria circular o elíptica emitiría energía y acabaría colapsándose en el núcleo.

Bohr hizo uso de la idea fundamental de la física cuánticaMecánica cuánticaMecánica cuánticaWikipedia de que la energía no puede emitirse en cantidades continuamente variables, sino en paquetes cuantificados. Sugirió que los electrones no orbitaban, sino que tenían niveles de energía fijos entre los que podían saltar emitiendo un solo fotón a la vez. No podrían existir en los niveles intermedios, por lo que no se desplazarían hacia el interior.

Esta idea fue apoyada por un fenómeno conocido según el cual átomos particulares emitían colores específicos cuando se calentaban, o bien absorbían colores específicos cuando los atravesaba la luz. Esta fue la base de la ciencia de la espectroscopiaEspectroscopiaEspectroscopiaWikipedia, lo que significa que podemos saber cuáles son los elementos presentes en una estrella a pesar de que nunca nos acerquemos a ella. De hecho, el elemento helio fue descubierto en el Sol (recibió su nombre de Helios, el dios griego del Sol) como resultado de un análisis espectroscópico. La teoría de Bohr explicaba por qué sólo se emitían o absorbían ciertos colores, ya que el color de la luz corresponde a la energía de los fotonesFotónEn física moderna, el fotón (en griego φῶς phōs (gen. φωτός) «luz», y -ón) es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluidos los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio. Wikipedia. Entonces, si sólo se permitieran ciertos saltos de energía, estos corresponderían a los colores específicos.

Ahora pensamos que los electrones existen en «capas»: éstas son los diferentes niveles entre los que saltan, cada uno de los cuales puede albergar una serie de «orbitales». Estos no son órbitas, sino diferentes distribuciones de probabilidad para la ubicación del electrón a lo largo del tiempo. Los orbitales disponibles dependen del número de las propiedades del electrón.

niveles de energía de los átomos
A medida que avanzamos por los elementos, se empiezan a llenar capas antes de que las existentes estén llenas. Cada capa tiene diferentes distribuciones de la probabilidad para la localización de los electrones.
EL PATRÓN DEL ELECTRÓN
Lo que confiere a los átomos sus propiedades químicas es el número de electrones en su capa más externa, y la manera en que su total se puede distribuir en las diferentes capas se reflejan en el patrón bastante extraño de la tabla periódica. Esto se debe a que la forma en que se distribuyen los electrones a medida que los elementos se vuelven más y más pesados no es del todo intuitiva.

La primera capa fuera del núcleo no admiten más de dos electrones. Es por eso por lo que la tabla periódica tiene esos extraños cuadros que sobresalen en la parte superior para el hidrógeno, con un electrón en esta primera capa, y el helio con una capa completa de dos electrones. Tener una capa exterior completa hace que sea muy poco probable que un elemento reacciona con otros. Esto explica por qué los elementos de la columna derecha de la tabla periódica, la de los gases nobles, son particularmente no reactivos.

La siguiente capa hacia fuera, la segunda capa, admite hasta un total de ocho electrones, lo que crea un segundo periodo (fila) bastante sencillo de la tabla que contiene ocho elementos, que van desde tener un electrón en esa capa externa (litio) hasta ocho (neón), que es el segundo de los gases nobles. A partir de aquí la complejidad aumenta. Viendo el patrón bastante extraño de la tabla periódica, se podría pensar que la tercera capa también contiene ocho electrones, ya que en el tercer periodo también se encuentran ocho elementos, pero, en realidad, esta capa puede admitir hasta 18 electrones. Sin embargo, el límite estable se alcanzó cuando la capa exterior contiene ocho electrones, con independencia de cuantos pueda contener teóricamente.

En consecuencia, lo que sucede es que la tercera capa se llena hasta ocho, y luego comienza a llenarse una nueva cuarta capa. Cuando esto ocurre, la que había sido la capa exterior ya no ocupa esa posición, por lo que puede continuar llenándose hasta su capacidad total. El resultado es un proceso de llenado escalonado. El cuarto periodo tiene 18 elementos: limita la cuarta capa hasta ocho y llena los 10 espacios restantes en la tercera capa por debajo de ella. De manera similar, el quinto periodo tiene 18 elementos, añadiendo 10 a la cuarta capa y hasta ocho a la quinta. Pero incluso entonces, la cuarta capa no está llena, ya que tiene una capacidad de 32 electrones. Entonces, cuando lleguamos al sexto periodo, hay un total de 32 elementos que, por último, llenan la cuarta capa, parcialmente la quinta capa y hasta ocho electrones en la capa exterior.

El tamaño del sexto periodo no resulta inmediatamente obvio en la representación convencional de la tabla periódica, ya que un conjunto de 14 elementos, desde el cerio hasta el lutecio, se muestra en una fila separada en la parte inferior. Se trata de los denominados lantano y dos, que recibe su nombre del elemento a la izquierda del grupo (lantano), que se ha separado para hacer que el ancho de la tabla periódica sea manejable. Esta estructura también enfatiza la forma en que la capa exterior se llena al final, lo que significa que los elementos restantes en el período desde el hafnio hasta el radón corresponden a las columnas equivalentes en la tabla. Éstos elementos son químicamente similares porque tienen el mismo número de electrones en la capa exterior.

El séptimo periodo alberga 32 elementos usando un mecanismo de llenado equivalente. Todos los elementos de este periodo se han sintetizado ahora, aunque los del lado derecho tiene una vida muy corta antes de sufrir la desintegración radiactiva. En principio, podría agregar un periodo adicional, pero la vida útil sería tan ridículamente breve que es difícil ver que beneficio habría. El oganesónOganesónConfiguración electrónica del átomo de oganesónWikipedia el elemento más pesado actual con el número atómico 118, tiene una vida útil de menos de 1 ms, y sólo se ha sintetizado seis átomos hasta el momento de escribir este artículo.

Configuración electrónica del átomo de oganesón

METALES Y NO METALES
Hemos visto como el patrón de los electrones en la capa exterior de los átomos influye en el comportamiento químico del elemento y, por lo tanto, en la estructura de la tabla periódica. Con la tabla ya montada podemos empezar a ver cómo toma forma una serie de diferentes agrupaciones de los elementos. Una que utilizamos de manera regular sin pensar necesariamente lo que significa en realidad es la diferenciación entre metales y no metales. En el lenguaje de uso corriente, tendemos a pensar en los metales como materiales brillantes, duros pero maleables, que, por lo general, conducen la electricidad. Los astrónomos son mucho más limitativos: usan el término «metal» para todo elemento que no sea hidrógeno ni helio. Esto se debe a que el proceso de «base» de fusión en una estrella convierte el hidrógeno en helio, lo que viene reflejado en sus posiciones de apertura en la tabla periódica. Con el tiempo, la estrella fusionará otros elementos más pesados y cuando esto suceda, se considera que está produciendo «metales».

Tabla de metales y no metales

En el sentido más convencional del término, ignorando el valor atípico del hidrógeno, todo lo que está a la izquierda de la línea diagonal que se extienden más de la mitad de la tabla es un metal, hay una banda diagonal de «metaloides» (de color acerado en la tabla superior), y después una sección significativamente más pequeña de no metales. Entre los metaloides encontramos los semiconductores silicio y germanio.

este patrón refleja la norma en que las sustancias conducen la electricidad. Los conductores, como los metales, tienen uno o más electrones conectados a un átomo de forma débil y puede moverse con relativa libertad a través de la red cristalina de la sustancia. En los semiconductores se necesita por lo general un impulso adicional, por ejemplo, el de un fotón de luz entrante para dar a un electrón la energía suficiente para liberarse y conducir, mientras que en un no metal de los electrones no tienen la misma propensión a liberarse y conducir.

Ya hemos visto cómo hay algunas similitudes significativas en las columnas (conocidas como grupos) de la tabla periódica; así es como se ensambló por primera vez. Entonces, por ejemplo, encontramos los semejantes litio, sodio y potasio, o magnesio y calcio, o plata y oro, o flúor, cloro, bromo y yodo, o los gases nobles en la columna de la derecha, que tienen a su vez distintas similitudes. Sin embargo, es raro que la similitudes a nivel superficial continúan en todo el grupo.

EL PORQUÉ DE LOS NOMBRES
En términos generales, los nombres de los elementos se dividen en cuatro conjuntos: los tradicionales, reconocidos durante más tiempo que la existencia de los elementos en sí; los elementos «descubiertos científicamente» hace ya bastante tiempo; los elementos oscuros de rango medio; y los elementos sintéticos, no presentes en la naturaleza, que incluyen las últimas entradas.

En los más clásicos, encontramos a menudo los que el símbolo químico, es decir, el identificador de una o dos letras en esos mosaicos de la tabla periódica, no encajan necesariamente con el nombre moderno del elemento, ya que usa la terminología clásica. Por ejemplo, el símbolo de hierro es Fe, del latín ferrum; el del cobre, Cu (latín, cuprum); el del estaño, Sn (latín: stannum), y el del plomo, Pb ( latín: plumbum). Otros son menos obvios, como Ag para la plata (latín: argentum) y Au para el oro (latín: aurum). Y cuando se pensaba que todo lo que se necesitaba era un diccionario de latín, aparece el Mercurio, de símbolo Hg, de hidrargyrum, que no es realmente latín, sino una versión latinizada del griego hidrargyros.

Los nombres de los elementos que los científicos aislaron por primera vez derivaron a veces de las sustancias que los contenían. Así, por ejemplo, el flúor, que no se aisló hasta 1886, recibió el nombre de la fluorita, un mineral que lo contiene en forma de fluoruro cálcico. El nombre de la fluorita procede del latín fluere, «fluir», ya que esta sustancia se usaba como fundente en la fundición de hierro.

Otros nombres de este periodo surgieron de la imaginación de los científicos involucrados. El elemento que sigue al flúor en la tabla periódica es el cloro, que fue mal utilizado por Humphrey DabyHumphry DavyHumphry DavyWikipedia con la versión latinizada del griego khloros, que significa «verde pálido», que es el color de este gas. De manera similar, el plomo maloliente recibe su nombre del griego bromos, que significa «hedor», y el yodo, del griego iodes, que significa «color violeta». El bromo no fue el único en hacer referencia según olor;el osmio procede del griego osmé («olor»). Cuando no se usa el impacto de los sentidos (por ejemplo, en el elemento iridiscente iridio), la fuente de inspiración podría ser un poco menos clara; el paladio derivó su nombre del asteroide PalasPalasAsteroide PalasWikipedia, que, a su vez, lleva el nombre de la diosa griega Palas AteneaAtenea → Palas AteneaAtenea → Palas AteneaWikipedia.

Más tarde, en el siglo XIX, se empezaron a introducir lugares en los nombres de los elementos. Quizá el más difícil de nombrar fuera el germanio. Su descubridor en 1886, Clemens WinklerClemens Alexander WinklerClemens Alexander WinklerWikipedia, pretendía llamarlo Neptuno unión en honor al descubrimiento del planeta Neptuno, pero se enteró de que alguien más ya le había dado se nombre a un elemento. Sin embargo, ese descubrimiento resultó fallido, por lo que el nombre Neptuno unión volvió a quedar libre y, finalmente, se usó para acompañar al uranio y al plutonio, elementos radiactivos de nombres inspirados en los planetas. Entonces Winkler se inspiró en la Alemania recién unificada. Aunque el nombre del país era Deustchland, el nombre romano de parte del era germania.

Otros nombres basados en la ubicación entre los primeros elementos incluyendo el escandio (por Escandinavia), el europio por Europa, el polonio por Polonia y la magnífica colección del itrio, terbio, erbio e iterbio hacen referencia en su nombre a la pequeña aldea sueca YtterbyYtterbyYtterby es un pueblo en la isla de Resarö, en el archipiélago de Estocolmo, en Suecia. Pertenece a la municipalidad de Vaxholm. El pueblo es famoso por la mina de Ytterby, donde se descubrieron algunas tierras raras. Entre ellas se encuentran los elementos químicos erbio, terbio, iterbio, e itrio, todos ellos nombrados en homenaje al pueblo, el gadolinio (nombrado en homenaje al profesor finlandés Johan Gadolin), el holmio (por el nombre latino de Estocolmo), y el tulio (de «Thule», nombre antiguo de Escandinavia). , donde se encuentran los minerales que los contienen. Posiblemente, el más rocambolesco sea el tulio, que lleva el nombre de Thule, que a veces se pronuncia Tooli, aunque perece que debería ser Thool, que suena más oscuro y misterioso. Originalmente, este era el nombre clásico de una tierra misteriosa a seis días de navegación hacia el norte de Gran Bretaña, considerado por el historiador griego Polibio como la región más septentrional del mundo. El elemento fue nombrado por error por Per Teodor ClevePer Teodor ClevePer Teodor CleveWikipedia. No sólo pensó que Thule era el nombre antiguo de Escandinavia, sino que trató de llamar al elemento thullium, pero la segunda «l» fue eliminada de su nombre en inglés.

En los elementos sintetizados más recientes que no existen en la naturaleza, los orígenes de los nombres se divide en tres: el nombre del lugar de su descubrimiento, su descubridor o simplemente un gran científico. Los elementos basados en la ubicación incluyen el americio, el berkelio, el californio, el laurencio y el livermorio (del laboratorio Laurens Livermore), el darmstadio (de Darmstadt) y el nihonio (de Hihon, Japón).

Los descubridores aportan un grupo más compacto. Está el seaborgio, en honor a Glenn SeaborgGlenn T. SeaborgGlenn T. SeaborgWikipedia, quien descubrió 10 notables elementos sintéticos, y el oganesón, que debe su nombre a Yuri OgnessianYuri Tsolákovich OganesiánYuri Tsolákovich OganesiánWikipedia, el científico que desarrolló ideas clave para la producción de seis de estos elementos súper pesados.

Finalmente, están los que llevan el nombre de otros físicos. Por ejemplo, el curio (Marie Curie), el einstenio (Albert Einstein), el fermio (Enrico Fermi), el mendelevio (Dmitri Mendeleyev), el rutherfordio (Ernest Rutherford), el boro (Niels Bohr), el meitnerio (Lise Meitner), el roentgenio (Wilhelm Röntgen) y el al copernicio (Nicolás Copérnico).

TOPOLOGÍA PERIÓDICA
La conocida tabla periódica basada en el diseño de Medeleyev es un patrón icónico, muy fácil de reconocer por su forma y estructura pero no es la única ni necesariamente la mejor manera de estructurar los elementos, y se han probado muchas otras formas. Es algo así como las proyecciones para los mapas del mundo. Para representar el mapa de la Tierra esférica en una hoja plana, hay varias acciones en cuanto a cómo se puede cartografiar la superficie tridimensional en un papel bidimensional. De manera similar, no hay una sola forma de representar el patrón implícito en las estructuras electrónicas de los elementos.

Como ya hemos visto, es posible incorporar los elementos adicionales de lantano y dos y actínidos en los periodos ampliados sexto y séptimo, dando a la tabla 32 columnas completas. Pero eso es sólo el principio. Algunos cambios de formato utilizan de una manera más explícita el modo en que se forman las capas de electrones. Por ejemplo, la llamada tabla periódica escalonada por la izquierda incluye los elementos para que se correspondan con la manera en que se llenan las diferentes capas y subcapas de electrones, produciendo una estructura más elegante que aún agrupa los elementos por sus propiedades, que hacen explícito exactamente a dónde van los electrones a medida que avanzan en la tabla.

Otros son más caprichosos, ya que agregan algunos de los elementos en forma de espiral (con protrusiones para los lantano y dos y los actínidos), o bien, distribuyendolos de formas tridimensionales, como cubos, esferas, pirámides y otros. Algunos de estos no son más que triunfos artísticos en lugar de visiones reales del patrón de la tabla, pero otros permiten una comprensión más amplia de esta parte esencial de la química.

En la tabla periódica se representan la manera en que los elementos químicos han pasado de ser sustancias corrientes presentes en la tierra a elementos organizados en un patrón subyacente, identificado por la ciencia.

tabla periódica por países y año de descubrimiento

DMITRI IVÁNOVICH MENDELÉYEV
Dmitri Mendeléyev nació en 1834, cerca de Tobolsk, en Rusia occidental, y era el menor de por lo menos 14 hermanos. Estudió en el Gymnassium de Tobolsk y después en el Instituto Pedagógico Principal de San Petersburgo, cuando la muerte de su padre obligó a su familia a instalarse allí. Sobresalió en ciencia y su primer empleo fue de profesor en ciencias en Simferopol (Crimea).

Después de un par de años, Mendeléyev regresó a San Petersburgo y no tardó en interesarse por la investigación científica. Estudió la acción capilar de los líquidos –el ascenso sin ayuda de un fluido por un tubo muy estrecho– y contribuyó a la ciencia de la espectroscopia, que fue el tema de su primer libro, publicado en 1861. En 1863, sus trabajos le valieron un puesto de profesor de química en la Universidad Estatal de San Petersburgo. Fue allí donde empezó a pensar en los elementos químicos y en cómo organizarlo según su propiedad.

Dmitri Mendeleiev

Mendeléyev comenzó su tarea ordenando los 62 elementos químicos conocidos según su peso atómico. Esta es la masa de un átomo del elemento, que se obtiene sumando el número de protones con carga positiva y neutrones en el núcleo del átomo. Al ordenar los elementos de izquierda a derecha, de menor a mayor peso, Mendeléyev se percató de que si ordenaba su secuencia en filas horizontales, cada una de 18 columnas, los elementos situado en cada columna tendían a tener propiedades químicas muy similares. Era como si las propiedades fueran «periódicas», a medida que aumentaba el peso atómico. Por ejemplo, la columna situada más a la izquierda de la tabla contenía los elementos sodio, potasio y litio, todos los cuales eran sólidos a temperatura ambiente, muy reactivos, puntos de fusión bajos y con tendencia a ennegrecerse en contacto con el aire. En cambio, los elementos de la columna del extremo derecho son todos gaseosos a temperatura ambiente, incoloros, inodoros y casi nada reactivos. Publicó su «tabla periódica» en 1869.

VACÍOS QUE LLENAR
Mendeléyev no fue el primero que intentó ordenar los elementos químicos de este modo. Pero fue el primero que los ordenó según sus propiedades, aunque esto significara dejar huecos en la tabla. El empeño de Mendeléyev en situar los elementos donde él creía que debían estar según sus propiedades le llevó incluso a romper el orden ascendente de peso atómico en algunos casos: por ejemplo, colocando el teluro (peso atómico 127.6) a la izquierda del yodo (peso atómico 126.9). Así se gestó la verdadera ordenación de la tabla, tal como la conocemos, no por el peso, sino por el número atómico, que es el número de protones con carga positiva contenidos en el núcleo. En 1913, el físico inglés Henry Moseley demostró que la tabla de Mendeléyev está ordenada por el número atómico.
QUÍMICA CUÁNTICA
Aproximadamente la misma época, los avances de la teoría cuántica estaba aportando la base física necesaria para comprender la estructura de la tabla periódica. Las reacciones químicas consistentemente en interacciones entre los electrones que orbitan en las zonas más exteriores de los átomos. La teoría cuántica reveló que los electrones están organizados en distintos niveles, y que en cada nivel hay un número fijo de electrones. Como la carga en general de un átomo es cero, el número total de electrones con carga negativa es igual al número de protones positivos en el núcleo, qué es lo que se llama número atómico. A medida que aumenta el número atómico de elemento en elemento, cada nivel de electrones se va llenando, hasta que está completo y se repite el proceso. Pronto quedó claro que cada uno de los grupos periódicos de Mendeléyev contenía elementos con el mismo número de electrones en su nivel más externo, y esto es lo que explica la similitud de sus propiedades químicas. Por ejemplo, todos los elementos reactivos del grupo 1 tienen un único electrón en su nivel más externo, mientras que todos los elementos no reactivos del grupo 18 tienen su nivel exterior completo. La teoría cuántica explica también los extraños huecos en los tres períodos superiores, que se deben a los niveles de energía más internos, solo tienen sentido para un pequeño número de electrones y por eso se llenan rápidamente.
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De manera similar, las capas exteriores pueden acomodar un gran número de electrones, y esta es la razón de las dos barras extraíbles que hay en la parte baja de la tabla. Se han sacado de los periodos 6 y 7 para despejar la forma de la tabla, la secuencia superior, llamada de los «lantánidos», debería estar entre el bario (Ba) y el hafnio (Hf) en el período 6. La secuencia inferior, la de los «actínidos», en caja entre el radio (Ra) y el rutherfordio (Rf) en el período 7.

ELEMENTOS MODERNOS
Ahora hay 118 elementos conocidos en la tabla periódica, 94 de los cuales se da naturalmente en la Tierra. El resto son elementos radiactivos con vidas medias mucho más cortas que la edad del planeta, por lo que han ido degenerando. La única manera de ver estos últimos elementos es fabricarlos en reactores nucleares y aceleradores de partículas. Esto se hizo por primera vez a principios del siglo XX con el tecnecio, que al igual que el galio y el germanio, fue otra de las predicciones de Mendeléyev. Los elementos con números atómicos del 95 al 118 solo han sido sintetizados en laboratorios. Allí también se produjeron numerosos radioisótopos sintéticos de elementos presentes en la naturaleza. Los elementos del 95 a 100 existieron en la naturaleza en tiempos pasados, pero actualmente no. La investigación para encontrar por síntesis nuevos elementos de números atómicos más altos continúa.

Mendeléyev fue propuesto para el Premio Nobel de química en 1906 y 1907, pero sus enfrentamientos con miembros del Comité Nobel frustraron sus posibilidades de ganar. Hoy lleva su nombre el elemento llamado mendelevio (Md, número atómico 101), un merecido homenaje a un hombre que dedicó su vida a mejorar nuestro conocimiento del mundo químico.

tabla periódica de los elementos químicos

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