ELEMENTOS QUÍMICOS Elemento es la sustancia que no puede ser descompuesta o dividida en sustancias más simples por medios químicos ordinarios. Antiguamente, los elementos se consideraban sustancias fundamentales, pero hoy se sabe que consisten en una variedad de partículas elementales: electrones, protones y neutrones. El número de elementos que existen en la naturaleza es de 92 pero pueden añadirse algunos elementos obtenidos artificialmente. Cada elemento posee propiedades especificas de orden físico, que conserva en todas sus combinaciones. Las más importantes pertenecen al dominio de la óptica electromagnética, es decir, a la espectroscopia y a su generalización por medio de los rayos x. El espectro de emisión de un cuerpo gaseoso está formado por radiaciones, cuyas longitudes de onda son características del elemento que las produce. Para producir un vapor incandescente para hacerse de dos maneras: encerrarlo a baja presión en un tubo e iluminarlo por medio de una corriente de alta tensión, o haciendo saltar una chispa entre dos armaduras compuesta de dos cuerpos que se han de estudiar. Para obtener un espectro de rayos x se emplea en el tubo productor una combinación del elemento como antiácido. Los elementos químicos se clasifican en metales y no metales. Los átomos de los metales son electropositivos y combinan fácilmente con los átomos electronegativos de los no metales. Existe un grupo de elementos llamados metaloides, que tiene propiedades intermedias entre los metales y los no metales, y que se considera a veces como una clase separada. Cuando los elementos están ordenados por orden de número atómico (número de cargas positivas existentes en el núcleo de un átomo de un elemento),se repiten a intervalos específicos elementos con propiedades físicas y químicas semejantes. Esos grupos de elementos con propiedades físicas y químicas similares se llaman familias, por ejemplo: Los metales alcalinotérreos, los lantánidos, los halógenos y los gases nobles. La unidad de masa atómica de los elementos es un doceavo de la masa del átomo de carbono 12 (establecida arbitrariamente en 12). El número atómico, la masa atómica y el símbolo químico de cada un de los elementos conocidos vienen dados en el sistema periódico o tabla periódica. Cuando dos átomos tienen el mismo número atómico, pero diferentes números másicos, se llaman isótopos. Algunos elementos tienen varios isótopos naturales, mientras que otros solo existen en una forma isotópica. Se han producido cientos de isótopos sintéticos. Varios isótopos naturales y algunos sintéticos son inestables. Los elementos transuránicos pesados producidos en el laboratorio son 1
radiactivos y tienen vidas muy cortas. Algunos físicos especulan sobre la existencia de un número de elementos superpesados estables, elementos con número de atómicos de 164 o superiores, pero aún no se han encontrado evidencia de dichos elementos. NOMENCLATURA DE LOS ELEMENTOS En un principio solía escogerse para designar los cuerpos simples un nombre referente a alguna de sus propiedades; pero, para los elementos descubiertos u obtenidos más recientemente, el nombre ha sido escogido de modo más arbitrario: en general, para recordar el lugar donde se descubrió o como homenaje a un científico renombrado. SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS Los 1º intentos de relación los elementos químicos entre sí con vistas a realizar una clasificación de los mismos se debieron al médico británico W. Prout (1785 1850 ) quién supuso que los elementos eran el resultado de la condensación de átomos de hidrogeno, por lo que sus pesos atómicos deberían ser múltiplos de éste. Tal hipótesis fue rechazada debido a las mediaciones efectuadas por Berzelius, que confirmaron la corrección de algunos pesos atómicos no enteros (como los del cloro). En 1851 el físico francés J.B Dumas observó que ciertos grupos de elementos (triadas) poseían propiedades muy parecidas (como que el peso atómico del elemento central era la semisuma de los correspondientes a los extremos). En 1862, el químico también francés, A.E. Beguyen de Chancourtoois (1820 1886) propuso una clasificación de los elementos basada en la ordenación creciente de los pesos atómicos y las otras propiedades de los elementos. Un paso más, y muy importante, fue el dado en 1863 por el químico británico Jar Newlands (1838 1898) con su ley de las octavas: ordenados crecientemente los elementos con respecto a su peso atómico el octavo elemento tiene propiedades muy parecidas al primero; el noveno al segundo, etc., igual que ocurre con las notas de la escala musical. A partir del calcio se pierde la periodicidad; Newlands no supo superar las dificultades que se presentaban (porque partía del supuesto implícito de que se conocían todos los elementos existentes) y, por ello, su ley no fue aceptada plenamente. El químico ruso Dmitri Mendeléiev propuso la tabla periódica de los elementos, que agrupaba a éstos en filas y columnas según sus propiedades químicas, inicialmente, los elementos fueron ordenados por su masa atómica. A mediados del siglo XIX, cuando Mendeléiev hizo esta clasificación, se desconocían muchos elementos; los siguientes descubrimientos completaron la 2
tabla, que ahora está ordenada según el número de atómico de los elementos ( el número de protones que contienen ). SISTEMA PERIÓDICO ACTUAL La tabla periódica de Mendeléiev tuvo la ventaja de que orientó el descubrimiento de nuevos elementos, pues ya no se iba a ciegas ni debía confiarse en el azar como anteriormente. El conocimiento de nuevos elementos y de la estructura atómica ha permitido construir una Tabla periódica o sistema periódico que refleja satisfactoriamente las propiedades y relaciones que poseen los elementos químicos, si bien presenta aun determinados problemas que no se han resuelto. Esta moderna Tabla presenta diferencias con la del sabio ruso. La principal es que la ordenación creciente según pesos atómicos ofrecía algunas excepciones ( por ejemplo, Ar k, que están colocados de este modo y, sin embargo, sus pesos atómicos respectivos son 39,9 y 39,1 )y por ello se buscó un nuevo criterio ordenador que es el de los números atómicos ( que, como se sabe, se hallan relacionados con la estructura atómica). Se conserva la disposición en filas y columnas. Las son los periodos, con un total de siete, de los que el último es incompleto. Las columnas son los grupos, con un total de nueve, designados del I al VIII y el último es el (cero); cada uno de los grupos del I al VII se dividen en subgrupos. Existe un periodo muy corto, con únicamente dos elementos, el H y el He. Siguen dos períodos cortos con ocho elementos cada uno. A continuación, los periodos cuarto y quinto, denominados periodos largos, con dieciocho elementos cada uno (entre los primeros elementos y los últimos se intercalan otros diez, que se conocen con el nombre de elementos de transición ). El sexto periodo contiene treinta y dos elementos; en particular del 57 al 71 se encuentran los lantánidos o tierras raras, que se separan de las Tabla para hacerla más manejable. En cuanto al último periodo, el séptimo que es incompleto por el momento termina en el elemento 105 y a partir del número 89, los elementos reciben la denominación de actínidos. 3
LEY PERIÓDICA Esta ley es la base de la tabla periódica y establece que las propiedades físicas y químicas de los elementos tienden a repetirse de forma sistemática conforme aumenta el número atómico. Todos los elementos de un grupo presentan una gran semejanza y, por lo general, difieren de los elementos de los demás grupos. Por ejemplo, los elementos del grupo 1 (o IA ), a excepción del hidrógeno, son metales con valencia química +1; mientras que los del grupo 17 (o VIIA ), exceptuando el astato, son los metales, que normalmente forman compuestos con valencia 1. LAS REACCIONES QUÍMICAS En todas las reacciones químicas aparece un principio fundamental, llamado de la conservación de los elementos: los cuerpos introducidos en la reacción y los cuerpos obtenidos contienen los mismos elementos, y la masa total de cada uno de ellos permanece constantes. Este principio, que rige toda la química clásica, no es valido, como se verá más adelante, en las desintegraciones y transmutaciones que constituyen la química nuclear. CONCEPTOS DE Nº ATÓMICO Y Nº MÁSICO Se sabe que el número atómico posee cargas positivas y que la corteza, con los electrones es negativa. El núcleo está constituido por protones y 4
neutrones, que son los nucleones. Los protones están cargados positivamente y los neutrones son eléctricamente neutros. Se tienen que: El número de protones, que coinciden con el de electrones, se denomina número atómico y es también el número de orden que caracteriza al elemento químico en el sistema periódicos: se representa mediante el símbolo Z. El número másico o número de masa es el número de nucleones del átomo; se representa mediante el símbolo A. Se deduce de ambas definiciones que, A Z = a número de neutrones. Para designar el núcleo de un elemento se utiliza ( notación recomendada por la IUPAC ) el símbolo de este con el número Z en su parte su parte superior izquierda, es decir, si M = símbolo del elemento, tendremos: M De los conceptos formulados, se puede concluir que: un elemento químico es una clase de materia construida por átomos de igual número atómico. Para afianzar conceptos, resumimos en una tabla las propiedades esenciales de las partículas atómicos fundamentales. TEORÍA CUANTICA El desarrollo de la teoría cuántica y su aplicación a la estructura atómica, enunciada por el físico danés Niels Bohr y otros científicos, ha aportado una explicación fácil a la mayoría de las características detalladas del sistema periódico. Cada electrón se caracteriza por cuatro números cuánticos que designan su movimiento orbital en el espacio. Por medio de las reglas de selección que gobiernan esos números cuánticos, y del principio de exclusión de Wofgang Pauli, que establece que dos electrones del mismo átomo no pueden tener el los mismos números cuánticos, los físicos pueden determi nar teóricamente el número máximo de electrones necesarios para completar cada capa, confirmando las conclusiones que se infieren del sistema periódico. Posteriores desarrollos de la teoría cuántica revelaron por qué algunos elementos sólo tienen una capa incompleta ( en concreto la capa exterior, o de valencia ), mientras que otros también tienen incompletas las capas subyacentes. En esta última categoría se encuentra el grupo de elementos conocidos como lantánidos, que son tan similares en sus propiedades que Mendeléiev llegó a asignarle a los catorce elementos un único lugar en su sistema. 5
TEORÍA DE LA CAPA ELECTRÓNICA En la clasificación periódica, los gases nobles, que no son reactivos en la mayoría de los casos (valencia = 0 ), están interpuestos entre un grupo de metales altamente reactivos que forman compuestos con valencia +1 y un grupo de no metales también muy reactivos que forman compuestos con valencia 1. Este fenómeno condujo a la teoría de que la periodicidad de las propiedades resulta de la disposición de los electrones en capas alrededor del núcleo atómico. Según la misma teoría, los gases nobles son por lo general inertes porque sus capas electrónicas están completas; por lo tanto, otros elementos deben tener algunas capas que están sólo parcialmente ocupadas, y sus reactividades químicas están relacionadas con los electrones de esas capas incompletas. Por ejemplo, todos los elementos que ocupan una posición en el sistema inmediatamente anterior a un gas inerte, tienen un electrón menos del número necesario para completar las capas y presentan una valencia 1 y tienden a ganar un electrón en la última capa, y pueden perderlo en las reacciones, presentando por tanto una valencia+1. Un análisis del sistema periódico, basado en esta teoría, indica que la primera capa de electrones puede contener un máximo de dos electrones, la segunda un máximo de ocho, la tercera de dieciocho, y así sucesivamente. El número total de elementos de cualquier periodo corresponde al número de electrones necesarios para conseguir una configuración estable. La diferencia entre los subgrupos A y B de un grupo dado también se puede explicar en la base de la teoría de la capa de electrones. Ambos subgrupos son igualmente incompletos en la capa exterior, pero difieren entre ellos en las estructuras de las capas subyacentes. Este modelo del átomo proporciona una buena explicación de los enlaces químicos. ELEMENTOS QUÍMICOS Elemento es la sustancia que no puede ser descompuesta o dividida en sustancias más simples por medios químicos ordinarios. Antiguamente, los 6
elementos se consideraban sustancias fundamentales, pero hoy se sabe que consisten en una variedad de partículas elementales: electrones, protones y neutrones. El número de elementos que existen en la naturaleza es de 92 pero pueden añadirse algunos elementos obtenidos artificialmente. Cada elemento posee propiedades especificas de orden físico, que conserva en todas sus combinaciones. Las más importantes pertenecen al dominio de la óptica electromagnética, es decir, a la espectroscopia y a su generalización por medio de los rayos x. El espectro de emisión de un cuerpo gaseoso está formado por radiaciones, cuyas longitudes de onda son características del elemento que las produce. Para producir un vapor incandescente para hacerse de dos maneras: encerrarlo a baja presión en un tubo e iluminarlo por medio de una corriente de alta tensión, o haciendo saltar una chispa entre dos armaduras compuesta de dos cuerpos que se han de estudiar. Para obtener un espectro de rayos x se emplea en el tubo productor una combinación del elemento como antiácido. Los elementos químicos se clasifican en metales y no metales. Los átomos de los metales son electropositivos y combinan fácilmente con los átomos electronegativos de los no metales. Existe un grupo de elementos llamados metaloides, que tiene propiedades intermedias entre los metales y los no metales, y que se considera a veces como una clase separada. Cuando los elementos están ordenados por orden de número atómico (número de cargas positivas existentes en el núcleo de un átomo de un elemento),se repiten a intervalos específicos elementos con propiedades físicas y químicas semejantes. Esos grupos de elementos con propiedades físicas y químicas similares se llaman familias, por ejemplo: Los metales alcalinotérreos, los lantánidos, los halógenos y los gases nobles. La unidad de masa atómica de los elementos es un doceavo de la masa del átomo de carbono 12 (establecida arbitrariamente en 12). El número atómico, la masa atómica y el símbolo químico de cada un de los elementos conocidos vienen dados en el sistema periódico o tabla periódica. Cuando dos átomos tienen el mismo número atómico, pero diferentes números másicos, se llaman isótopos. Algunos elementos tienen varios isótopos naturales, mientras que otros solo existen en una forma isotópica. Se han producido cientos de isótopos sintéticos. Varios isótopos naturales y algunos sintéticos son inestables. Los elementos transuránicos pesados producidos en el laboratorio son radiactivos y tienen vidas muy cortas. Algunos físicos especulan sobre la existencia de un número de elementos superpesados estables, elementos con número de atómicos de 164 o superiores, pero aún no se han encontrado evidencia de dichos elementos. NOMENCLATURA DE LOS ELEMENTOS 7
En un principio solía escogerse para designar los cuerpos simples un nombre referente a alguna de sus propiedades; pero, para los elementos descubiertos u obtenidos más recientemente, el nombre ha sido escogido de modo más arbitrario: en general, para recordar el lugar donde se descubrió o como homenaje a un científico renombrado. SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS Los 1º intentos de relación los elementos químicos entre sí con vistas a realizar una clasificación de los mismos se debieron al médico británico W. Prout (1785 1850 ) quién supuso que los elementos eran el resultado de la condensación de átomos de hidrogeno, por lo que sus pesos atómicos deberían ser múltiplos de éste. Tal hipótesis fue rechazada debido a las mediaciones efectuadas por Berzelius, que confirmaron la corrección de algunos pesos atómicos no enteros (como los del cloro). En 1851 el físico francés J.B Dumas observó que ciertos grupos de elementos (triadas) poseían propiedades muy parecidas (como que el peso atómico del elemento central era la semisuma de los correspondientes a los extremos). En 1862, el químico también francés, A.E. Beguyen de Chancourtoois (1820 1886) propuso una clasificación de los elementos basada en la ordenación creciente de los pesos atómicos y las otras propiedades de los elementos. Un paso más, y muy importante, fue el dado en 1863 por el químico británico Jar Newlands (1838 1898) con su ley de las octavas: ordenados crecientemente los elementos con respecto a su peso atómico el octavo elemento tiene propiedades muy parecidas al primero; el noveno al segundo, etc., igual que ocurre con las notas de la escala musical. A partir del calcio se pierde la periodicidad; Newlands no supo superar las dificultades que se presentaban (porque partía del supuesto implícito de que se conocían todos los elementos existentes) y, por ello, su ley no fue aceptada plenamente. El químico ruso Dmitri Mendeléiev propuso la tabla periódica de los elementos, que agrupaba a éstos en filas y columnas según sus propiedades químicas, inicialmente, los elementos fueron ordenados por su masa atómica. A mediados del siglo XIX, cuando Mendeléiev hizo esta clasificación, se desconocían muchos elementos; los siguientes descubrimientos completaron la tabla, que ahora está ordenada según el número de atómico de los elementos ( el número de protones que contienen ). 8
SISTEMA PERIÓDICO ACTUAL La tabla periódica de Mendeléiev tuvo la ventaja de que orientó el descubrimiento de nuevos elementos, pues ya no se iba a ciegas ni debía confiarse en el azar como anteriormente. El conocimiento de nuevos elementos y de la estructura atómica ha permitido construir una Tabla periódica o sistema periódico que refleja satisfactoriamente las propiedades y relaciones que poseen los elementos químicos, si bien presenta aun determinados problemas que no se han resuelto. Esta moderna Tabla presenta diferencias con la del sabio ruso. La principal es que la ordenación creciente según pesos atómicos ofrecía algunas excepciones ( por ejemplo, Ar k, que están colocados de este modo y, sin embargo, sus pesos atómicos respectivos son 39,9 y 39,1 )y por ello se buscó un nuevo criterio ordenador que es el de los números atómicos ( que, como se sabe, se hallan relacionados con la estructura atómica). Se conserva la disposición en filas y columnas. Las son los periodos, con un total de siete, de los que el último es incompleto. Las columnas son los grupos, con un total de nueve, designados del I al VIII y el último es el (cero); cada uno de los grupos del I al VII se dividen en subgrupos. Existe un periodo muy corto, con únicamente dos elementos, el H y el He. Siguen dos períodos cortos con ocho elementos cada uno. A continuación, los periodos cuarto y quinto, denominados periodos largos, con dieciocho elementos cada uno (entre los primeros elementos y los últimos se intercalan otros diez, que se conocen con el nombre de elementos de transición ). El sexto periodo contiene treinta y dos elementos; en particular del 57 al 71 se encuentran los lantánidos o tierras raras, que se separan de las Tabla para hacerla más manejable. En cuanto al último periodo, el séptimo que es incompleto por el momento termina en el elemento 105 y a partir del número 89, los elementos reciben la denominación de actínidos. 9
LEY PERIÓDICA Esta ley es la base de la tabla periódica y establece que las propiedades físicas y químicas de los elementos tienden a repetirse de forma sistemática conforme aumenta el número atómico. Todos los elementos de un grupo presentan una gran semejanza y, por lo general, difieren de los elementos de los demás grupos. Por ejemplo, los elementos del grupo 1 (o IA ), a excepción del hidrógeno, son metales con valencia química +1; mientras que los del grupo 17 (o VIIA ), exceptuando el astato, son los metales, que normalmente forman compuestos con valencia 1. LAS REACCIONES QUÍMICAS En todas las reacciones químicas aparece un principio fundamental, llamado de la conservación de los elementos: los cuerpos introducidos en la reacción y los cuerpos obtenidos contienen los mismos elementos, y la masa total de cada uno de ellos permanece constantes. Este principio, que rige toda la química clásica, no es valido, como se verá más adelante, en las desintegraciones y transmutaciones que constituyen la química nuclear. CONCEPTOS DE Nº ATÓMICO Y Nº MÁSICO Se sabe que el número atómico posee cargas positivas y que la corteza, con los electrones es negativa. El núcleo está constituido por protones y neutrones, que son los nucleones. Los protones están cargados positivamente y los neutrones son eléctricamente neutros. Se tienen que: El número de protones, que coinciden con el de electrones, se denomina número atómico y es también el número de orden que caracteriza al elemento químico en el sistema periódicos: se representa mediante el símbolo Z. El número másico o número de masa es el número de nucleones del átomo; se representa mediante el símbolo A. 10
Se deduce de ambas definiciones que, A Z = a número de neutrones. Para designar el núcleo de un elemento se utiliza ( notación recomendada por la IUPAC ) el símbolo de este con el número Z en su parte su parte superior izquierda, es decir, si M = símbolo del elemento, tendremos: M De los conceptos formulados, se puede concluir que: un elemento químico es una clase de materia construida por átomos de igual número atómico. Para afianzar conceptos, resumimos en una tabla las propiedades esenciales de las partículas atómicos fundamentales. TEORÍA CUANTICA El desarrollo de la teoría cuántica y su aplicación a la estructura atómica, enunciada por el físico danés Niels Bohr y otros científicos, ha aportado una explicación fácil a la mayoría de las características detalladas del sistema periódico. Cada electrón se caracteriza por cuatro números cuánticos que designan su movimiento orbital en el espacio. Por medio de las reglas de selección que gobiernan esos números cuánticos, y del principio de exclusión de Wofgang Pauli, que establece que dos electrones del mismo átomo no pueden tener el los mismos números cuánticos, los físicos pueden determi nar teóricamente el número máximo de electrones necesarios para completar cada capa, confirmando las conclusiones que se infieren del sistema periódico. Posteriores desarrollos de la teoría cuántica revelaron por qué algunos elementos sólo tienen una capa incompleta ( en concreto la capa exterior, o de valencia ), mientras que otros también tienen incompletas las capas subyacentes. En esta última categoría se encuentra el grupo de elementos conocidos como lantánidos, que son tan similares en sus propiedades que Mendeléiev llegó a asignarle a los catorce elementos un único lugar en su sistema. 11
TEORÍA DE LA CAPA ELECTRÓNICA En la clasificación periódica, los gases nobles, que no son reactivos en la mayoría de los casos (valencia = 0 ), están interpuestos entre un grupo de metales altamente reactivos que forman compuestos con valencia +1 y un grupo de no metales también muy reactivos que forman compuestos con valencia 1. Este fenómeno condujo a la teoría de que la periodicidad de las propiedades resulta de la disposición de los electrones en capas alrededor del núcleo atómico. Según la misma teoría, los gases nobles son por lo general inertes porque sus capas electrónicas están completas; por lo tanto, otros elementos deben tener algunas capas que están sólo parcialmente ocupadas, y sus reactividades químicas están relacionadas con los electrones de esas capas incompletas. Por ejemplo, todos los elementos que ocupan una posición en el sistema inmediatamente anterior a un gas inerte, tienen un electrón menos del número necesario para completar las capas y presentan una valencia 1 y tienden a ganar un electrón en la última capa, y pueden perderlo en las reacciones, presentando por tanto una valencia+1. Un análisis del sistema periódico, basado en esta teoría, indica que la primera capa de electrones puede contener un máximo de dos electrones, la segunda un máximo de ocho, la tercera de dieciocho, y así sucesivamente. El número total de elementos de cualquier periodo corresponde al número de electrones necesarios para conseguir una configuración estable. La diferencia entre los subgrupos A y B de un grupo dado también se puede explicar en la base de la teoría de la capa de electrones. Ambos subgrupos son igualmente incompletos en la capa exterior, pero difieren entre ellos en las estructuras de las capas subyacentes. Este modelo del átomo proporciona una buena explicación de los enlaces químicos. ELEMENTOS QUÍMICOS 12
Elemento es la sustancia que no puede ser descompuesta o dividida en sustancias más simples por medios químicos ordinarios. Antiguamente, los elementos se consideraban sustancias fundamentales, pero hoy se sabe que consisten en una variedad de partículas elementales: electrones, protones y neutrones. El número de elementos que existen en la naturaleza es de 92 pero pueden añadirse algunos elementos obtenidos artificialmente. Cada elemento posee propiedades especificas de orden físico, que conserva en todas sus combinaciones. Las más importantes pertenecen al dominio de la óptica electromagnética, es decir, a la espectroscopia y a su generalización por medio de los rayos x. El espectro de emisión de un cuerpo gaseoso está formado por radiaciones, cuyas longitudes de onda son características del elemento que las produce. Para producir un vapor incandescente para hacerse de dos maneras: encerrarlo a baja presión en un tubo e iluminarlo por medio de una corriente de alta tensión, o haciendo saltar una chispa entre dos armaduras compuesta de dos cuerpos que se han de estudiar. Para obtener un espectro de rayos x se emplea en el tubo productor una combinación del elemento como antiácido. Los elementos químicos se clasifican en metales y no metales. Los átomos de los metales son electropositivos y combinan fácilmente con los átomos electronegativos de los no metales. Existe un grupo de elementos llamados metaloides, que tiene propiedades intermedias entre los metales y los no metales, y que se considera a veces como una clase separada. Cuando los elementos están ordenados por orden de número atómico (número de cargas positivas existentes en el núcleo de un átomo de un elemento),se repiten a intervalos específicos elementos con propiedades físicas y químicas semejantes. Esos grupos de elementos con propiedades físicas y químicas similares se llaman familias, por ejemplo: Los metales alcalinotérreos, los lantánidos, los halógenos y los gases nobles. La unidad de masa atómica de los elementos es un doceavo de la masa del átomo de carbono 12 (establecida arbitrariamente en 12). El número atómico, la masa atómica y el símbolo químico de cada un de los elementos conocidos vienen dados en el sistema periódico o tabla periódica. Cuando dos átomos tienen el mismo número atómico, pero diferentes números másicos, se llaman isótopos. Algunos elementos tienen varios isótopos naturales, mientras que otros solo existen en una forma isotópica. Se han producido cientos de isótopos sintéticos. Varios isótopos naturales y algunos sintéticos son inestables. Los elementos transuránicos pesados producidos en el laboratorio son radiactivos y tienen vidas muy cortas. Algunos físicos especulan sobre la existencia de un número de elementos superpesados estables, elementos con número de atómicos de 164 o superiores, pero aún no se han encontrado evidencia de dichos elementos. 13
NOMENCLATURA DE LOS ELEMENTOS En un principio solía escogerse para designar los cuerpos simples un nombre referente a alguna de sus propiedades; pero, para los elementos descubiertos u obtenidos más recientemente, el nombre ha sido escogido de modo más arbitrario: en general, para recordar el lugar donde se descubrió o como homenaje a un científico renombrado. SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS Los 1º intentos de relación los elementos químicos entre sí con vistas a realizar una clasificación de los mismos se debieron al médico británico W. Prout (1785 1850 ) quién supuso que los elementos eran el resultado de la condensación de átomos de hidrogeno, por lo que sus pesos atómicos deberían ser múltiplos de éste. Tal hipótesis fue rechazada debido a las mediaciones efectuadas por Berzelius, que confirmaron la corrección de algunos pesos atómicos no enteros (como los del cloro). En 1851 el físico francés J.B Dumas observó que ciertos grupos de elementos (triadas) poseían propiedades muy parecidas (como que el peso atómico del elemento central era la semisuma de los correspondientes a los extremos). En 1862, el químico también francés, A.E. Beguyen de Chancourtoois (1820 1886) propuso una clasificación de los elementos basada en la ordenación creciente de los pesos atómicos y las otras propiedades de los elementos. Un paso más, y muy importante, fue el dado en 1863 por el químico británico Jar Newlands (1838 1898) con su ley de las octavas: ordenados crecientemente los elementos con respecto a su peso atómico el octavo elemento tiene propiedades muy parecidas al primero; el noveno al segundo, etc., igual que ocurre con las notas de la escala musical. A partir del calcio se pierde la periodicidad; Newlands no supo superar las dificultades que se presentaban (porque partía del supuesto implícito de que se conocían todos los elementos existentes) y, por ello, su ley no fue aceptada plenamente. El químico ruso Dmitri Mendeléiev propuso la tabla periódica de los elementos, que agrupaba a éstos en filas y columnas según sus propiedades químicas, inicialmente, los elementos fueron ordenados por su masa atómica. A mediados del siglo XIX, cuando Mendeléiev hizo esta clasificación, se desconocían muchos elementos; los siguientes descubrimientos completaron la tabla, que ahora está ordenada según el número de atómico de los elementos ( el número de protones que contienen ). 14
SISTEMA PERIÓDICO ACTUAL La tabla periódica de Mendeléiev tuvo la ventaja de que orientó el descubrimiento de nuevos elementos, pues ya no se iba a ciegas ni debía confiarse en el azar como anteriormente. El conocimiento de nuevos elementos y de la estructura atómica ha permitido construir una Tabla periódica o sistema periódico que refleja satisfactoriamente las propiedades y relaciones que poseen los elementos químicos, si bien presenta aun determinados problemas que no se han resuelto. Esta moderna Tabla presenta diferencias con la del sabio ruso. La principal es que la ordenación creciente según pesos atómicos ofrecía algunas excepciones ( por ejemplo, Ar k, que están colocados de este modo y, sin embargo, sus pesos atómicos respectivos son 39,9 y 39,1 )y por ello se buscó un nuevo criterio ordenador que es el de los números atómicos ( que, como se sabe, se hallan relacionados con la estructura atómica). Se conserva la disposición en filas y columnas. Las son los periodos, con un total de siete, de los que el último es incompleto. Las columnas son los grupos, con un total de nueve, designados del I al VIII y el último es el (cero); cada uno de los grupos del I al VII se dividen en subgrupos. Existe un periodo muy corto, con únicamente dos elementos, el H y el He. Siguen dos períodos cortos con ocho elementos cada uno. A continuación, los periodos cuarto y quinto, denominados periodos largos, con dieciocho elementos cada uno (entre los primeros elementos y los últimos se intercalan otros diez, que se conocen con el nombre de elementos de transición ). El sexto periodo contiene treinta y dos elementos; en particular del 57 al 71 se encuentran los lantánidos o tierras raras, que se separan de las Tabla para hacerla más manejable. En cuanto al último periodo, el séptimo que es incompleto por el momento termina en el elemento 105 y a partir del número 89, los elementos reciben la denominación de actínidos. 15
LEY PERIÓDICA Esta ley es la base de la tabla periódica y establece que las propiedades físicas y químicas de los elementos tienden a repetirse de forma sistemática conforme aumenta el número atómico. Todos los elementos de un grupo presentan una gran semejanza y, por lo general, difieren de los elementos de los demás grupos. Por ejemplo, los elementos del grupo 1 (o IA ), a excepción del hidrógeno, son metales con valencia química +1; mientras que los del grupo 17 (o VIIA ), exceptuando el astato, son los metales, que normalmente forman compuestos con valencia 1. LAS REACCIONES QUÍMICAS En todas las reacciones químicas aparece un principio fundamental, llamado de la conservación de los elementos: los cuerpos introducidos en la reacción y los cuerpos obtenidos contienen los mismos elementos, y la masa total de cada uno de ellos permanece constantes. Este principio, que rige toda la química clásica, no es valido, como se verá más adelante, en las desintegraciones y transmutaciones que constituyen la química nuclear. CONCEPTOS DE Nº ATÓMICO Y Nº MÁSICO Se sabe que el número atómico posee cargas positivas y que la corteza, con los electrones es negativa. El núcleo está constituido por protones y neutrones, que son los nucleones. Los protones están cargados positivamente y los neutrones son eléctricamente neutros. Se tienen que: El número de protones, que coinciden con el de electrones, se denomina número atómico y es también el número de orden que caracteriza al elemento químico en el sistema periódicos: se representa mediante el símbolo Z. 16
El número másico o número de masa es el número de nucleones del átomo; se representa mediante el símbolo A. Se deduce de ambas definiciones que, A Z = a número de neutrones. Para designar el núcleo de un elemento se utiliza ( notación recomendada por la IUPAC ) el símbolo de este con el número Z en su parte su parte superior izquierda, es decir, si M = símbolo del elemento, tendremos: M De los conceptos formulados, se puede concluir que: un elemento químico es una clase de materia construida por átomos de igual número atómico. Para afianzar conceptos, resumimos en una tabla las propiedades esenciales de las partículas atómicos fundamentales. TEORÍA CUANTICA El desarrollo de la teoría cuántica y su aplicación a la estructura atómica, enunciada por el físico danés Niels Bohr y otros científicos, ha aportado una explicación fácil a la mayoría de las características detalladas del sistema periódico. Cada electrón se caracteriza por cuatro números cuánticos que designan su movimiento orbital en el espacio. Por medio de las reglas de selección que gobiernan esos números cuánticos, y del principio de exclusión de Wofgang Pauli, que establece que dos electrones del mismo átomo no pueden tener el los mismos números cuánticos, los físicos pueden determi nar teóricamente el número máximo de electrones necesarios para completar cada capa, confirmando las conclusiones que se infieren del sistema periódico. Posteriores desarrollos de la teoría cuántica revelaron por qué algunos elementos sólo tienen una capa incompleta ( en concreto la capa exterior, o de valencia ), mientras que otros también tienen incompletas las capas subyacentes. En esta última categoría se encuentra el grupo de elementos conocidos como lantánidos, que son tan similares en sus propiedades que Mendeléiev llegó a asignarle a los catorce elementos un único lugar en su sistema. 17
TEORÍA DE LA CAPA ELECTRÓNICA En la clasificación periódica, los gases nobles, que no son reactivos en la mayoría de los casos (valencia = 0 ), están interpuestos entre un grupo de metales altamente reactivos que forman compuestos con valencia +1 y un grupo de no metales también muy reactivos que forman compuestos con valencia 1. Este fenómeno condujo a la teoría de que la periodicidad de las propiedades resulta de la disposición de los electrones en capas alrededor del núcleo atómico. Según la misma teoría, los gases nobles son por lo general inertes porque sus capas electrónicas están completas; por lo tanto, otros elementos deben tener algunas capas que están sólo parcialmente ocupadas, y sus reactividades químicas están relacionadas con los electrones de esas capas incompletas. Por ejemplo, todos los elementos que ocupan una posición en el sistema inmediatamente anterior a un gas inerte, tienen un electrón menos del número necesario para completar las capas y presentan una valencia 1 y tienden a ganar un electrón en la última capa, y pueden perderlo en las reacciones, presentando por tanto una valencia+1. Un análisis del sistema periódico, basado en esta teoría, indica que la primera capa de electrones puede contener un máximo de dos electrones, la segunda un máximo de ocho, la tercera de dieciocho, y así sucesivamente. El número total de elementos de cualquier periodo corresponde al número de electrones necesarios para conseguir una configuración estable. La diferencia entre los subgrupos A y B de un grupo dado también se puede explicar en la base de la teoría de la capa de electrones. Ambos subgrupos son igualmente incompletos en la capa exterior, pero difieren entre ellos en las estructuras de las capas subyacentes. Este modelo del átomo proporciona una buena explicación de los enlaces químicos. 18