TEMA 3: Los átomos y el sistema periódico

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1 TEMA 3: Los átomos y el sistema periódico Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 1

2 1.- LOS PRIMEROS ELEMENTOS QUÍMICOS Los elementos químicos que se conocen actualmente se han ido descubriendo poco a poco a lo largo de la historia gracias a la inquietud mostrada por el hombre de descubrir nuevas sustancias que le permitieran mejorar sus condiciones de vida. Así, los primeros elementos que se descubrieron fueron metales como el cobre, estaño o hierro, y no metales como el carbono. Con la aleación entre el cobre y el estaño se consiguió bronce, que era muy utilizado por ejemplo en la Edad del Bronce para fabricar utensilios, puntas de flechas, acero, de mayor dureza que el hierro o el bronce. En el año 1700 ya había descubiertos doce elementos químicos. 2.- CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS Metales y no metales La primera ordenación de los elementos químicos se llevó a cabo teniendo en cuenta propiedades observables de los elementos, así se clasificaban en metales (como el cobre, estaño o hierro) y no metales (como el carbono). Sin embargo, la continua aparición de nuevos elementos invita a los científicos a plantearse otras maneras de ordenarlos o clasificarlos. Algunas de las clasificaciones de los elementos químicos más significativas que se han propuesto a lo largo de la historia han sido las siguientes: Las triadas de Döbereiner En 1829, el químico alemán J. W. Döbereiner observó que el bronce tenía propiedades que estaban entre las del cloro y las del yodo, y además la masa del bromo estaba entre la del cloro y la del yodo. Encontró resultados parecidos entre otros grupos de tres elementos y decidió llamarlos triadas. Ejemplos de triadas: TRIADAS Cloro Calcio Azufre Bromo Estroncio Selenio Yodo Bario Teluro Las octavas de Newlands En el año 1864, el químico inglés J. A. Newlands ordenó los elementos conocidos en columnas en orden creciente de masas atómicas. Como observó que cada siete elementos aparecía un octavo con propiedades parecidas a las del primero, el noveno tenía propiedades parecidas a las del segundo y así sucesivamente, se cumplía que todos los elementos que estaban en la misma columna tenían propiedades similares. A esta ordenación de los elementos químicos Newland la llamó ley de las octavas. Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 2

3 Sin embargo pronto, conforme se iban descubriendo elementos nuevos, se iba observando que existían demasiados elementos que no encajaban en las octavas, por lo que esta clasificación tuvo que ser modificada. La tabla periódica de Mendeleiev En 1869, el químico ruso Dimitri Mendeleiev publicó su tabla periódica. En ella colocaba los elementos en filas en orden creciente de masas atómicas, de manera que los elementos que coincidían en la misma columna tenían propiedades similares guardando un cierto orden. Seguir este criterio a la hora de ordenar los elementos químicos le hizo predecir la existencia de elementos químicos que no se habían descubierto aún y las propiedades que debían tener, elementos para los que dejó un hueco en la tabla periódica para colocarlos cuando se descubrieran. Aunque no es la tabla actual, la tabla propuesta por Mendeleiev fue la base para la elaboración de la tabla periódica de los elementos que se utiliza hoy en día. 3.- LA TABLA PERIÓDICA ACTUAL Se puede decir que la tabla periódica es una representación gráfica ordenada de los elementos químicos. Como mínimo, junto al nombre de cada elemento aparece el símbolo con el que se representa, su número atómico (recordar que es el número atómico de un elemento es el número de protones que posee y que es diferente en cada elemento) y su masa atómica. Esta tabla fue propuesta en el siglo XX por Werner y Paneth y en ella se encuentran los elementos ordenados por filas en orden creciente de número atómico de manera que igual que sucedía con la tabla de Mendeleiev, se hacen coincidir en la misma columna a los elementos que poseen las mismas propiedades químicas. En la tabla actual hay tres parejas de elementos en los que un elemento está precedido por otro de masa atómica mayor (por ejemplo el teluro de masa 127,6 está situado delante del yodo cuya masa es 126,9 ; el argón delante del potasio o el cobalto delante del níquel). Cabe indicar como curiosidad, que en la tabla periódica hay tres elementos descubiertos por científicos españoles: el platino, descubierto por el sevillano Antonio de Ulloa a mediados del siglo XVIII, el wolframio descubierto en el mismo siglo a finales por los hermanos Elhúyar y el vanadio descubierto por Antonio José del Río a comienzos del siglo XIX. Esta tabla periódica consta de 18 columnas llamadas grupos y 7 filas o periodos, y como se comentó anteriormente los elementos se disponen de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo en orden creciente de número atómico, de manera que coincidan en la misma columna los elementos Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 3

4 con propiedades químicas similares. La tabla periódica contiene los 118 elementos químicos conocidos y aceptados por la IUPAC (de ellos la gran mayoría son naturales y el resto artificiales; es decir, descubiertos en los laboratorios). En algunas tablas periódicas las columnas aparecen numeradas del 1 al 18, si bien también se pueden numerar con números romanos acompañados con las letras "A" o "B". En este último caso las columnas con la letra "A" serían las más altas y las que llevan la letra "B" serían las centrales, las que tienen todas la misma altura: 4.- CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS POR GRUPOS En la tabla periódica se distinguen tres tipos de elementos según el grupo en el que se encuentren: 1. Elementos representativos: son los elementos de los grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 y 18. Las columnas donde se encuentran los elementos representativos reciben los siguientes nombres: Grupo 1: alcalinos. Grupo 2: alcalinotérreos. Grupo 13: térreos o grupo del boro. Grupo 14: carbonoides. Grupo 15: nitrogenoides. Grupo 16: anfígenos o calcógenos. Grupo 17: halógenos. Grupo 18: gases nobles. 2. Elementos o metales de transición: son los elementos de los grupos 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y Elementos o metales de transición interna o tierras raras: son elementos situados entre los metales de transición, aunque en la tabla se representan fuera de ella, en dos filas de catorce elementos cada una llamadas lantánidos y actínidos. Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 4

5 5.- CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS SEGÚN SUS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS Según las propiedades físicas y químicas de los elementos, estos se clasifican en: 1. Metales Poseen brillo metálico y color especial grisáceo, excepto algunos como el oro (amarillo) y el cobre (rojizo). Son dúctiles; es decir, se convierten fácilmente en hilos. Son maleables; es decir, se convierten fácilmente en delgadas láminas. Son buenos conductores de la electricidad y del calor. Son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio). Representan el 75% de todos los elementos. Tienden a perder electrones y formar iones positivos. 2. No metales Pueden encontrarse en los tres estados: sólido, líquido y gaseoso. No poseen brillo. No son dúctiles ni maleables. Suelen captar electrones formando iones negativos. Son malos conductores del calor y la electricidad. 3. Metaloides o semimetales Son algunos de los elementos que hay por encima y por debajo de la línea que separa a los elementos metálicos de los no metálicos, línea que tiene forma de escalera. Estos elementos poseen propiedades intermedias entre los metales y los no metales. 4. Gases nobles o inertes Se encuentran en la naturaleza como átomos aislados. Son gases a temperatura ambiente. Desde el punto de vista químico son muy estables: no forman compuestos. No ganan ni pierden electrones, es decir, no forman iones. 6.- POSICIÓN EN LA TABLA PERIÓDICA Y CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA La configuración electrónica La configuración electrónica de un elemento es una manera de representar cómo se distribuyen los electrones de dicho elemento en los diferentes niveles de energía y orbitales atómicos. Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 5

6 Los niveles o capas de energía son las distintas capas que forman los electrones de un átomo al girar alrededor del núcleo. En cada una de estas capas los electrones poseen una energía que es mayor cuanto más cerca está la capa del núcleo. Hay siete niveles de energía numerados del 1 al 7. Además, cada nivel de energía tiene subniveles de energía, en concreto hay cuatro subniveles llamados s, p, d, f. Los orbitales atómicos son zonas dentro los subniveles de energía donde existe una alta probabilidad (superior al 90%) de encontrar los electrones. Cantidad de orbitales y número máximo de electrones que tiene cada subnivel de energía: Subnivel de energía Número de orbitales Número máx. de e - s 1 2 p 3 6 d 5 10 f 7 14 Para hacer la configuración electrónica de un elemento se utiliza el diagrama de Moeller, que es el siguiente: Ejemplo Se llama capa de valencia al nivel o capa de energía más alto que tiene un elemento. Y al número total de electrones que tiene un elemento en su capa de valencia se le llama electrones de valencia. Según la posición que ocupa un elemento dentro de la tabla periódica, se puede determinar cuál es la configuración electrónica de su última capa de valencia y al revés, a partir de la configuración electrónica de la última capa de valencia se puede situar en la tabla periódica el elemento e identificarlo Configuración electrónica de los elementos representativos La capa o nivel de valencia del elemento coincide siempre con la fila o periodo que ocupa en la tabla. Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 6

7 En cuanto a la distribución de los electrones de valencia entre los subniveles atómicos, dependiendo del lugar que ocupe el elemento en la tabla llegará a un subnivel u otro según lo siguiente: En los elementos de las dos primeras columnas solamente hay electrones en el subnivel s, uno en los de la primera columna y dos en los de la segunda. En los elementos del resto de las columnas con elementos representativos hay electrones en el subnivel s (que lo tiene completo) y p (con tantos electrones como indique la columna en la que se encuentra el elemento). Ejemplos: escribe la configuración electrónica del último nivel de energía de los siguientes elementos: a) Potasio (K) 4 s 1 (el 4 porque está en la fila 4, hasta el subnivel "s" porque está en la primera columna, 1 electrón en el subnivel "s" porque tiene un electrón de valencia por estar en la primera columna). b) Bario (Ba) 6 s 2 (el 6 porque está en la fila 6, hasta el subnivel "s" porque está en la segunda columna, 2 electrones en el subnivel "s" porque tiene dos electrones de valencia por estar en la segunda columna). c) Nitrógeno (N) 2 s 2 p 3 (el 2 porque está en la fila 2, hasta el subnivel "p" porque está en los elementos representativos que hay a la derecha de la tabla, 2 electrones en el subnivel "s" y 3 en el "p" porque tiene cinco electrones de valencia por estar en la columna 15). d) Yodo (I) 5 s 2 p 5 (el 5 porque está en la fila 5, hasta el subnivel "p" porque está en los elementos representativos que hay a la derecha de la tabla, 2 electrones en el subnivel "s" y 5 en el "p" porque tiene cinco electrones de valencia por estar en la columna 17). De la misma manera, a partir de la configuración electrónica de la última capa de valencia se puede situar en la tabla periódica el elemento e identificarlo. Ejemplos: determina cuáles son los elementos que tienen como configuración electrónica de la capa de valencia las siguientes. a) 4 s 2 p 3 Elemento que se encuentra en la fila o periodo 4 y columna o grupo 3 de las de los elementos representativos que hay en la parte derecha de la tabla. Si se consulta la tabla periódica dicho elemento es el arsénico (As). Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 7

8 b) 3 s 2 Elemento que se encuentra en la fila o periodo 3 y columna o grupo 2 (número que lleva el subnivel "s"). Si se consulta la tabla periódica dicho elemento es el magnesio (Mg). c) 2 s 2 p 1 Elemento que se encuentra en la fila o periodo 2 y primera columna de las de los elementos representativos que hay a la derecha de la tabla. Si se consulta la tabla periódica dicho elemento es el boro (B) Configuración electrónica de los metales de transición Para escribir la configuración electrónica de las últimas capas de un metal de transición según la situación que ocupe en la tabla periódica hay que tener en cuenta lo siguiente: El nivel de valencia coincide siempre con la fila o periodo que ocupa el elemento en la tabla que tendrá completo su subnivel "s" (con 2 electrones). Además, en el nivel de energía anterior al de valencia, tiene completos los subniveles "s" y "p" y en el subnivel "d" tantos electrones como el número de la columna que ocupa el elemento en la tabla periódica (contando solamente las columnas de los metales de transición). Ejemplos: escribe la configuración electrónica del último nivel de energía de los siguientes elementos: a) Hierro (Fe) 3d 6 4s 2 (el 4 porque está en la fila 4 con el subnivel "s" lleno, y en el nivel 3 hay 6 electrones en el subnivel "d" porque está en la sexta columna de entre las que contienen metales de transición). b) Mercurio (Hg) 5d 10 6s 2 c) Circonio (Zr) 4d 2 5s 2 (el 5 porque está en la fila 5 con el subnivel "s" lleno, y en el nivel 4 hay 2 electrones en el subnivel "d" porque está en la segunda columna de entre las que contienen metales de transición). De la misma manera, a partir de la configuración electrónica de la última capa de valencia se puede situar en la tabla periódica el elemento e identificarlo. Ejemplos: determina cuáles son los elementos que tienen como configuración electrónica de la capa de valencia las siguientes. a) 5d 6 6s 2 Elemento que se encuentra en la fila o periodo 6 y columna o grupo 6 de las que contienen metales de transición. Si se consulta la tabla periódica dicho elemento es el osmio (Os). b) 3d 1 4s 2 Elemento que se encuentra en la fila o periodo 4 y columna o grupo 1 de las que contienen metales de transición. Si se consulta la tabla periódica dicho elemento es el escandio (Sc) Configuración electrónica de las tierras raras Recordar que las tierras raras son elementos que se ponen fuera de la tabla periódica, pero de colocarse dentro de ella, los lantánidos (desde Z = 57 hasta Z = 71) ocuparían la fila 6 y los actínidos (desde Z = 89 hasta Z = 103) la 7. Esta información es necesaria para saber cuál es el nivel de energía más alto. Para escribir la configuración electrónica de las últimas capas de un Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 8

9 metal de transición interno o tierra rara según la situación que ocupe en la tabla periódica, hay que tener en cuenta lo siguiente: El nivel de valencia coincide siempre con la fila o periodo que ocupa el elemento en la tabla que tendrá completo su subnivel "s" (con 2 electrones). Además, en el nivel de energía anterior al de valencia, tiene completos los subniveles "s" (con 2 electrones) y "p" (con 6 electrones). Además, en el antepenúltimo nivel de energía, tiene completos los subniveles "s" (con 2 electrones), "p" (con 6 electrones) y d (con 10 electrones) y en el subnivel f tantos electrones como indique el número de la columna que ocupa el elemento dentro de su fila. Ejemplos: escribe la configuración electrónica del último nivel de energía de los siguientes elementos: a) Cerio (Ce) 4f 2 6s 2 (el 6 porque al ser un lantánido está en la fila 6 con el subnivel s completo, también tendría completos los subniveles "s" y p dela capa 5 y los subniveles s, p y d de la capa 4, por eso no se ponen, y en el subnivel f de la capa 4 habría 2 electrones porque el cerio es el segundo elemento que hay en la fila de los lantánidos). b) Terbio (Tb) 4f 9 6s 2 (el 6 porque al ser un lantánido está en la fila 6 con el subnivel s completo, también tendría completos los subniveles "s" y p de la capa 5 y los subniveles s, p y d de la capa 4, por eso no se ponen, y en el subnivel f de la capa 4 habría 9 electrones porque el terbio es el noveno elemento que hay en la fila de los lantánidos). c) Plutonio (Pu) 5f 6 7s 2 (el 7 porque al ser un actínido está en la fila 7 con el subnivel s completo, también tendría completos los subniveles "s" y p de la capa 6 y los subniveles s, p y d de la capa 5, por eso no se ponen, y en el subnivel f de la capa 5 habría 6 electrones porque el plutonio es el séptimo elemento que hay en la fila de los actínidos). De la misma manera, a partir de la configuración electrónica de la última capa de valencia se puede situar en la tabla periódica el elemento e identificarlo. Ejemplos: determina cuáles son los elementos que tienen como configuración electrónica de la capa de valencia las siguientes. a) 4f 7 6s 2 Elemento que se encuentra en la fila o periodo 6 y pertenece a un lantánido porque tiene completo el subnivel s de la última capa y tiene electrones en el subnivel f de la antepenúltima capa. Dentro de los lantánidos este elemento ocupa la columna 7. Si se consulta la tabla periódica dicho elemento es el europio (Eu). b) 5f 10 7s 2 Elemento que se encuentra en la fila o periodo 7 y pertenece a un actínido porque tiene completo el subnivel s de la última capa y tiene electrones en el subnivel f de la antepenúltima capa. Dentro de los lantánidos este elemento ocupa la columna 10. Si se consulta la tabla periódica dicho elemento es el californio (Cf). EXCEPCIONES: Fila o periodo 4: Cromo (Cr) 3d 5 4s 1 / Cobre (Cu) 3d 10 4s 1 Fila o periodo 5: Niobio (Nb) 4d 4 5s 1 / Molibdeno (Mo) 4d 5 5s 1 Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 9

10 Tecnecio (Tc) 4d 6 5s 1 / Rutenio (Ru) 4d 7 5s 1 / Rodio (Rh) 4d 8 5s 1 Paladio (Pd) 4d 10 / Plata (Ag) 4d 10 5s 1 Fila o periodo 6: Platino (Pt) 4f 14 5d 9 6s 1 / Oro (Au) 4f 14 5d 10 6s 1 Fila o periodo 7: Roentgenio (Rg) 5f 14 6d 10 7s 1 / Darmstadtio (Ds) 5f 14 6d 9 7s 1 Lantánidos: Lantano (La) 5d 1 6s 2 / Gadolinio 4f 7 5d 1 6s 2 Luterio (Lu) 4f 14 5d 1 6s 2 Actínidos: Protactinio (Pa) 5f 2 6d 1 7s 2 / Uranio (U) 5f 3 6d 1 7s 2 Neptunio (Np) 5f 4 6d 1 7s 2 / Curio (Cm) 5f 7 6d 1 7s POSICIÓN EN LA TABLA PERIÓDICA Y CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Los símbolos de los elementos químicos son una forma abreviada de representar a dichos elementos. Están formados por una o dos letras, la primera de ellas siempre en mayúscula y las demás, en caso de tenerlas, en minúsculas. Lo normal es que el símbolo coincida con las letras con las que empieza el nombre del elemento. En algunos casos no coinciden con las letras del nombre con el que se conocen actualmente a esos elementos químicos porque cuando se descubrieron se les dieron nombres latinos o griegos y se les puso el símbolo teniendo esos nombres iniciales. En cuanto a los nombre de los elementos estos tienen distinto origen: Algunos de ellos recibieron nombres latinos o griegos, aunque han evolucionado y actualmente se conocen con otros nombres (como hemos comentado anteriormente). Ejemplos: sodio (natrium), oro (aurum), azufre (sulphur). Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 10

11 Otros nombres recuerdan a su descubridor o a científicos en general. Ejemplos: Mendelevio (Dimitri Mendeleiev), Curio (matrimonio Curie), Rutherforio (Ernest Rutherford). En otros casos el nombre de algunos elementos hacen referencia al país donde se descubrieron. Ejemplos: Germanio (Alemania), Francio (Francia), Polonio (Po). También hay nombres de elementos que recuerdan a ciertos astros. Ejemplos: teluro (del latín Tellus, la Tierra), plutonio (Plutón), uranio (Urano). Actualmente hay algunos elementos en la tabla periódica cuyo símbolo tiene tres letras. Se trata de elementos descubiertos recientemente que reciben nombres sistemáticos que indican en latín su número atómico hasta que se les busque uno definitivo. 8.- PROPIEDADES EN LOS PERIODOS Y GRUPOS DEL SISTEMA PERIÓDICO Niveles de energía Los elementos químicos que se encuentran en la misma fila o periodo tienen el mismo número de capas o niveles de energía y coincide con el número de la fila que ocupa. Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 11

12 8.2.- Carácter metálico El carácter metálico disminuye al avanzar hacia la derecha en la misma fila o periodo y aumenta al bajar dentro de un mismo grupo o columna Reactividad La reactividad de un elemento es la capacidad que tiene para combinarse con otros elementos con el fin de alcanzar la estabilidad. En una misma fila o periodo, la reactividad de los elementos disminuye hasta llegar al grupo 16. En este grupo la reactividad vuelve a aumentar hasta llegar a los gases nobles que sabemos que no son reactivos porque son los únicos elementos estables. En una columna o grupo, cuanto abajo se encuentre el elemento, más reactivo será Radio atómico El radio atómico de los elementos aumenta conforme bajamos en una columna o grupo. Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 12

13 9.- UNIÓN ENTRE ÁTOMOS Estabilidad atómica El átomo de un elemento se dice que es estable cuando tiene completo su último nivel o capa de energía o cuando tiene ocho electrones en dicha capa. Los únicos elementos estables que existen en la naturaleza son los gases nobles, todos tienen ocho electrones en su última capa menos el helio, que con dos electrones la tiene completa. Al ser estables, los gases nobles nunca los vamos a encontrar asociados a otros elementos; es decir, los gases nobles no son reactivos. Los átomos que no son estables se unen con otros átomos para alcanzar su estabilidad, y siempre lo hacen de manera que consigan tener en su última capa el mismo número de electrones que tenga el gas noble más cercano en le tabla periódica. Los elementos pueden conseguir la configuración electrónica del gas roble cercano de dos formas: compartiendo electrones con otros elementos, o bien cediendo o ganando electrones (es decir, formando iones). En general a los metales les sobran electrones mientras que a los no metales les faltan, por lo que los metales tienden a perder electrones y los no metales a ganarlos. La compartición de electrones se produce cuando a los átomos que se unen les falta un número pequeño de electrones para adquirir la estructura de gas noble, y ninguno quiere perder los que tiene. La solución es que ambos átomos compartan los electrones. Esa situación se suele producir entre elementos no metálicos. En la tabla periódica se cumple la siguiente propiedad: todos los elementos del mismo grupo o columna tienen el mismo número de electrones en su última capa. Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 13

14 9.2.- Moléculas Las moléculas son uniones de átomos del mismo o diferentes elementos químicos. Cuando los átomos que se unen son del mismo elemento, a las moléculas que se forman se les llama sustancias simples. Ejemplos: H 2, O 2. Si por el contrario las moléculas están formadas por la unión de átomos de diferentes elementos, se les denominan compuestos químicos. Ejemplos: H 2 O, CO 2. Las sustancias moleculares tienen las siguientes propiedades: Se pueden encontrar en los tres estados (sólido, líquido y gas). Tienen puntos de fusión y ebullición bajos. No conducen la electricidad o lo hacen con dificultad Cristales Los cristales también son uniones de átomos, pero a diferencia de las moléculas los átomos que los forman se colocan de manera muy ordenada formando como redes y adquiriendo formas geométricas. Ejemplos: el hielo, el diamante. Los cristales son siempre sólidos. FIN DEL TEMA Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 14