TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS

Transcripción

1 TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS Lic. Lidia Iñigo Ya desde que se conocieron los primeros elementos, los estudiosos de la ciencia se dieron cuenta de que había grupos de elementos que tenían características similares y quisieron agruparlos y clasificarlos. Pero fue recién en el siglo XIX, después de la teoría atómica de Jhon Dalton ( ), cuando se dieron los primeros pasos que llevarían a una clasificación periódica. En ese tiempo se pensaba que todos los átomos de un elemento eran iguales y tenían la misma masa o peso atómico (hoy sabemos que no, debido a la existencia de isótopos). Se vio que había cierta regularidad entre las propiedades de los elementos y su peso atómico, y que éstas se repetían a intervalos regulares de ocho elementos. El primero en enunciar la llamada ley periódica y en hacer una Tabla Periódica de los elementos fue Dimitri Mendeléev ( ). Dicha ley periódica decía que las propiedades de los elementos se encontraban en dependencia periódica de sus pesos atómicos. En la tabla propuesta por Mendeléev había algunos elementos que no quedaban correctamente ubicados de acuerdo con su peso atómico, y él sacrificó su orden pensando que el peso atómico estaba mal determinado. Tan importante fue el trabajo de Mendeléev que quedaban lugares vacíos en esta clasificación y él dedujo que tendría que haber elementos que ocuparan dichos lugares, y predijo sus propiedades. Muchos años después, cuando se descubrieron dichos elementos, como el galio, el germanio y el escandio, se vio que las propiedades predichas por él eran asombrosamente correctas. No fue hasta después del descubrimiento de los isótopos, en 1913, que se vio que en realidad las propiedades de los elementos no dependían de su masa atómica sino de la cantidad de electrones del átomo y, por lo tanto, de su número atómico. Esto explicó porqué en algunos elementos había que invertir el orden con respecto a su masa atómica. Hoy podemos enunciar la ley periódica como: Las propiedades físicas y químicas de los elementos son una función periódica de su número atómico. Es habitual que a los alumnos les cueste interpretar el significado de esta frase. Para hacerlo se necesita en principio conocer el significado de las palabras. 1 Qué es una función? Qué significa la palabra periódica? Qué es lo que significa el enunciado de esta ley? 2 Cuál es la importancia de la clasificación periódica? Para qué sirve? Los períodos que aparecen en la clasificación periódica no son regulares, es decir, no son todos iguales.

2 Aparecen dos períodos de 8 elementos, luego dos períodos de 18 elementos y, por último, dos períodos de 32 elementos de los cuales el último está incompleto. Con el conocimiento que tenemos hoy en día de estructura atómica y del modelo atómico actual, vemos que si vamos colocando los elementos en el orden en que se van llenando los distintos niveles y subniveles de energía (el de la regla de las diagonales), comenzando cada línea horizontal al comenzar a llenar un nuevo nivel, queda formada la Tabla Periódica. Seguí el siguiente razonamiento teniendo a la vista una Tabla Periódica. El primer nivel (1s) tiene un solo subnivel con un solo orbital y, por lo tanto, pueden ir solamente dos electrones, lo que da lugar para solamente dos elementos, el que tiene un solo electrón que es el hidrógeno y el que tiene dos, que es el helio. Luego comenzamos a llenar el nivel 2, llenamos el subnivel 2s, con lugar para dos electrones, y luego se llena el 2p, con lugar para seis electrones. Esto da lugar al primer período de ocho elementos. El siguiente nivel es el 3, donde se llenan 3s y 3p, lo que da lugar al segundo período de ocho elementos. Pero después del subnivel 3p se comienza a llenar el 4s, con lo cual debemos ir a una nueva línea horizontal, lo que representa un nuevo período. Se completa el 4s, y luego el 3d, que da lugar a 10 elementos más y por último el 4p. Aquí aparece el primer período de 18 elementos. Luego comenzamos a llenar el nivel 5, que es igual que el cuatro (aparece el subnivel 4d) y se completa el segundo período de 18 elementos. El sexto nivel comienza con 6s, pero aquí, una vez completado se comienza a llenar el subnivel 4f, lo que da lugar a 14 elementos más y aparece el primer período de 32 elementos. Puede verse que los subniveles d comienzan a llenarse un nivel atrasado y por lo tanto quedan en el período siguiente. Los subniveles f se comienzan a llenar dos niveles atrasados, entonces el subnivel 4f queda en el período seis y el 5f queda en el período siete. Por lo que acabamos de ver, las líneas horizontales de la Tabla Periódica son los PERÍODOS. 3 Cómo quedan agrupados en la tabla los elementos que tienen características o propiedades similares? Las columnas verticales de la Tabla Periódica son los GRUPOS O FAMILIAS. Podrás observar que en la tabla quedan determinados distintos bloques según se van llenando los distintos subniveles. En las dos primeras columnas se llena el subnivel s, en las seis últimas columnas se llena el subnivel p y en las columnas del medio, que comienzan en el período 3, se completa el subnivel d. El subnivel f, cuyos elementos son muy similares entre sí, en la mayoría de las tablas aparece abajo para evitar una distribución tan larga en el sentido horizontal.

3 Los elementos cuya CE termina en orbitales s ó p se denominan ELEMENTOS REPRESENTATIVOS, los elementos cuya CE termina en orbitales d se denominan ELEMENTOS DE TRANSICIÓN y los elementos cuya CE termina en orbitales f se denominan ELEMENTOS DE TRANSICIÓN INTERNA. Debés notar que los elementos de transición interna no pertenecen a ningún grupo. Los que terminan en el subnivel 4p (período 6) se denominan lantánidos y los que terminan en el subnivel 5p (período 7) se denominan actínidos. 4 Por qué los elementos que pertenecen a un mismo grupo tienen propiedades químicas similares? Existen dos nomenclaturas para nombrar a los grupos o familias. La más moderna, dada por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), numera de corrido con números arábigos a todos los grupos del 1 al 18. La nomenclatura más antigua o tradicional numera con números romanos y distingue entre los grupos de los elementos representativos y los de los elementos de transición con los subíndices A y B respectivamente. En la nomenclatura tradicional, el número del grupo coincide con el número de electrones de la CEE; salvo para las cuatro últimas columnas de los elementos de transición, ya que hay tres columnas que son grupo VIII B y quedan como últimos los grupos I B y II B con 11 y 12 electrones en su CEE respectivamente. Si tenemos que dar una expresión general para la CEE de la primera columna de la Tabla Periódica sería ns 1. La denominación para este primer grupo sería I A por ser el primer grupo de los elementos representativos. 5 Podrías dar la CEE y la denominación de todos los grupos de los elementos representativos? Nosotros usamos generalmente la nomenclatura tradicional para los grupos. Podés usar cualquiera de las dos nomenclaturas, siempre que las utilices correctamente. 6 Es muy común encontrar entre las respuestas de los alumnos, por ejemplo, que el oxigeno pertenece al grupo 6. Por qué es incorrecto de esta manera? Dentro de los grupos de los elementos representativos, donde algunos tienen nombres particulares, hay cuatro cuyos nombres debés conocer. El grupo I A es el grupo de los METALES ALCALINOS, el grupo II A es el grupo de los METALES ALCALINO TÉRREOS, el grupo VII A es el grupo de los HALÓGENOS (formadores de sales) y el grupo VIII A es el grupo de los GASES NOBLES, gases inertes o gases raros.

4 Además en todas las tablas aparece una línea divisoria que forma una escalerita que comienza debajo del boro. Esta es la división entre metales y no metales. El carácter metálico es la tendencia a ceder electrones. Los elementos que se encuentran arriba y a la derecha de esta división (más el hidrógeno) son los no metales; y los que se encuentran abajo y a la izquierda son los metales. Esto significa que todos los elementos de transición y los de transición interna son metales. Esta división no es tajante, los elementos que se encuentran cerca del límite tienen características ambivalentes; se comportan como metales frente a un elemento con fuerte carácter no metálico y como no metales frente a un elemento de fuerte carácter metálico. Estos elementos, como el aluminio, el estaño o el plomo se denominan anfóteros. Es importante notar que la clasificación periódica propiamente dicha comienza en el segundo período y que los elementos del primer período, hidrógeno y helio quedan fuera de esta clasificación. 7 Por qué el hidrógeno y el helio quedan fuera de la clasificación periódica? Es importante notar que hay una relación directa entre la CEE de un elemento y su ubicación en la tabla periódica. El número que denomina al grupo es el número de electrones de la CEE y el período es el máximo nivel de energía de la CEE. Esto permite que simplemente conociendo el número atómico de un elemento se pueda deducir su ubicación en la tabla sin necesidad de tener una tabla periódica. Con el z, sabiendo que se trata de un elemento neutro, sabemos que el número de electrones es el mismo que el z. Con el número de electrones podemos escribir su CE, con la CE determinamos su CEE y con ésta el grupo y período a que pertenece el elemento. Este razonamiento o el inverso, dada la CEE llegar al z del elemento, es el que se pide en los problemas de Tabla. Esto se pedirá solamente para los elementos representativos, no para los de transición. Los problemas de tabla están pensados para resolverse sin la tabla, no tiene sentido resolverlos con la tabla delante. Una de las preguntas frecuentes de los alumnos es si van a poder tener una Tabla en el parcial; y la respuesta es que sí. La pregunta inmediata es que si se tiene la Tabla para qué se necesita saber resolver estos problemas. La respuesta es que en muchos de los problemas, incluyendo los de los parciales aparecen elementos que se tienen que identificar, por ejemplo A, R ó T. En la Tabla no aparecen dichos símbolos y si no saben resolver el problema, la Tabla no sirve para nada. En la guía de ejercitación hay algunos problemas que son ejemplo de lo que se acaba de exponer.

5 PROPIEDADES PERIODICAS Existen propiedades que varían en forma predecible a lo largo de un grupo o un período de la Tabla Periódica. Siempre hablamos en forma general y sin detenernos en algunas irregularidades excepcionales. Dichas propiedades son las denominadas propiedades periódicas. Entre ellas veremos el radio atómico, la energía de ionización y la electronegatividad. Estas propiedades y su variación general en la tabla periódica nos permitirán analizar el comportamiento de los elementos al unirse entre sí, para llegar a los distintos tipos de uniones químicas. EL RADIO ATÓMICO es la mitad de la distancia que existe entre los núcleos de dos átomos del mismo elemento que se encuentran unidos. LA ENERGÍA DE PRIMERA IONIZACIÓN es la energía que hay que entregar a un átomo, en su estado fundamental y en estado gaseoso, para separar el electrón más débilmente unido y formar un catión monovalente. LA ELECTRONEGATIVIDAD es la tendencia que tiene un determinado elemento de atraer hacia sí los electrones de un enlace. Notarás que no se define el radio atómico como la distancia desde el núcleo al último electrón. La definición dada en los textos de química, es lo que se llama una definición operacional, es decir, se define en la forma en que se puede medir. Además ésta es la definición para lo que llamamos radio covalente, cuando los elementos están unidos por unión covalente. No es la única definición de radio atómico, pero es la que utilizaremos en este curso. 8 Por qué no se puede definir el radio atómico como la distancia entre el núcleo y el último electrón? Es importante que entiendas la siguiente justificación o explicación acerca de estas variaciones, porque te va a ayudar a memorizar cómo varían estas propiedades en la tabla periódica. El radio atómico aumenta hacia abajo en un grupo y disminuye hacia la derecha en un período. 9 Si se razona un poco, es evidente por qué el radio atómico aumenta al ir hacia abajo en un grupo, podrías explicarlo? La variación en un período no es tan simple de explicar. Debemos definir lo que se denomina efecto de pantalla o apantallamiento. Los electrones de los niveles inferiores se interponen y tapan la carga del núcleo, disminuyendo la atracción entre el núcleo (positivo) y los electrones del último nivel (negativos). Actúan como si fuera una pantalla, de ahí su nombre. Este efecto se produce de nivel a nivel (los electrones del nivel 1 ejercen efecto de pantalla para todos los niveles siguientes, los del nivel 1 y 2 para los electrones del nivel 3 en adelante, etc.) pero no

6 entre los electrones de un mismo nivel. Si vamos hacia la derecha en un período, vemos que los electrones que hay de diferencia entre un elemento y los demás quedan todos dentro de un mismo nivel. Los electrones que ejercen efecto de pantalla son los de los niveles inferiores. Por esta razón en un período el efecto de pantalla es prácticamente constante, pero va aumentando la carga nuclear (hay cada vez más protones). Eso hace que predomine el efecto de aumento de la carga nuclear, los electrones del último nivel estén cada vez más atraídos por el núcleo y el radio atómico se achique. Si volvemos sobre la variación en un grupo, vemos que al ir hacia abajo también aumenta la carga nuclear, pero los electrones que hay de diferencia entre un elemento y los que se encuentran abajo quedaron todos, o por lo menos la gran mayoría, en los niveles inferiores y por lo tanto aumenta mucho el efecto de pantalla. Ese aumento del efecto de pantalla predomina sobre el aumento de la carga nuclear (es mayor) y, por lo tanto, los electrones del último nivel están cada vez menos atraídos por el núcleo y el radio aumenta. La variación de la energía de ionización puede relacionarse con el radio atómico. 10 En qué caso será más fácil poder arrancar ese electrón al átomo? Cómo variará la EI en la tabla? La última propiedad periódica que vamos a ver es la electronegatividad. Fijate que por la forma en que está definida, la electronegatividad se define para un elemento que se encuentra unido. 11 Cuándo tendrá un elemento mayor tendencia a atraer los electrones de una unión? Relacionalo con el radio atómico Cómo varía la electronegatividad en la tabla? En los problemas también aparecen el carácter metálico y la tendencia a formar cationes o aniones: 12 podés relacionarlos con la EI y decir cómo varían en la tabla?

7 Respuestas 1 Una función es una relación (que puede ser matemática o no) tal que a cada elemento le corresponde un único elemento como resultado de esa relación. Por ejemplo, y = 2 x + 4 ó tiene como madre a... son funciones. Algo periódico es algo que se repite a intervalos regulares, ese intervalo es lo que se denomina período. Por ejemplo, una revista semanal es una publicación periódica y el período sería una semana. Por lo tanto, el enunciado de esta ley significa que las propiedades de los elementos vuelven a repetirse después de una determinada cantidad de números atómicos. Y esa cantidad de números atómicos es precisamente el período. 2 La importancia de la clasificación periódica es que al agrupar a los elementos que tienen características similares, facilita el estudio de sus propiedades y comportamiento, ya que al conocer las características del grupo, se conoce las características de todos los elementos que lo componen. Esto fue lo que le permitió a Mendeléev predecir las propiedades de elementos que todavía no habían sido descubiertos. 3 En las columnas verticales denominadas precisamente grupos o familias.

8 4 Si tomamos una columna o grupo cualquiera de la tabla periódica, por ejemplo, la primera: Elemento y Z CE H 1 1s 1 Li 3 1s 2 2s 1 Na 11 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 K 19 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 Vemos que lo que tienen de igual es el número de electrones de la configuración electrónica externa. No es exactamente la configuración electrónica externa porque cambia el nivel de energía. Precisamente esos electrones del último nivel son los electrones que se denominan de valencia, y son los que van a intervenir en las reacciones químicas. Como tienen el mismo número de electrones en su CEE, esos elementos van a tener un comportamiento químico y propiedades similares. 5 ns I A ns II A ns 2 np 1...III A ns 2 np 2. IV A ns 2 np 3. V A ns 2 np 4....VI A ns 2 np 5....VII A ns 2 np 6.. VIII A

9 6 Porque se está utilizando la numeración arábiga, que corresponde a la nomenclatura moderna y en esta nomenclatura el oxígeno pertenece al grupo 16 y no al grupo 6 (que sería el VI B en la tradicional). La convención en la escritura debe respetarse porque si no el que lee interpreta que el oxígeno se encuentra en el sexto grupo de los elementos de transición. El oxígeno pertenece al grupo VI A ó 16, esa es la forma correcta de expresarlo. 7 En el caso del hidrógeno, éste se encuentra en la primera columna simplemente porque su CEE coincide con la general para dicha columna; pero no pertenece al grupo, no es un metal alcalino; de hecho ni siquiera es un metal, el hidrógeno es un no metal (notá que en las tablas debajo del hidrógeno aparece la línea de división entre metales y no metales). En realidad el hidrógeno no pertenece a ninguno de los grupos de la clasificación periódica. En cuanto al helio, tiene CEE 1s 2, si nos guiamos por ella tendría que estar en el grupo II A, sin embargo se encuentra en el grupo de los gases nobles. Está en este grupo porque pertenece al mismo, y tiene todas las características de los gases nobles, no tiene la CEE propia del grupo simplemente porque en el nivel 1 no existe el subnivel p, pero tiene su último nivel de energía completo como todos los gases nobles y por eso tiene características similares y es un gas noble. 8 Porque, según el modelo atómico actual, no podemos determinar exactamente la trayectoria de los electrones y, por lo tanto, no se puede determinar con exactitud la distancia hasta donde puede llegar el último electrón. 9 Porque al ir hacia abajo en un grupo estamos pasando a un mayor nivel de energía, y como habrás aprendido en el tema Estructura Electrónica de los Átomos un mayor nivel de energía implica una mayor distancia al núcleo.

10 10 Es evidente que será más fácil arrancar un electrón al átomo cuando ese electrón se encuentre menos atraído por el núcleo. Y cuanto mayor es el radio del átomo, los electrones el último nivel están menos atraídos por el núcleo. Por lo tanto la EI varía en forma inversa al radio atómico, aumenta hacia la derecha en un período y disminuye hacia abajo en un grupo. Notá que la explicación para la variación de las dos propiedades es la misma. 11 Cuanto más retenidos se encuentren los electrones del último nivel, y menor sea el radio atómico, tanto mayor será la electronegatividad de ese elemento. Por eso la electronegatividad aumenta hacia la derecha en un período y disminuye hacia abajo en un grupo, igual que la EI y en forma inversa al radio. 12 Ya definimos el carácter metálico de un elemento como la tendencia a ceder electrones. Cuanto menor sea la EI, más fácil será que ese elemento ceda electrones. Por lo tanto, el carácter metálico disminuye hacia la derecha en un período y aumenta hacia abajo en un grupo. Cuanto menor sea la EI, y mayor el carácter metálico, mayor será la tendencia a formar cationes. Por eso los metales tienen mucha tendencia a formar cationes. Por el contrario cuanto mayor sea la EI, menor será el carácter metálico (mayor el carácter no metálico) y mayor será la tendencia de ese elemento a formar aniones.