El hidrógeno y el oxígeno se encuentran en las nubes. El nitrógeno en el aire. El calcio en las rocas y en el agua del río que las baña. El magnesio en la clorofila de una hoja.
El carbono en los tejidos de un crustáceo. Y el cobre en su sangre. En la herrumbre de un clavo hay un compuesto simple de hierro y oxígeno.
Y por encima de un millón de compuestos en la química de un saltamontes. Los elementos y sustancias que forman son los materiales que componen nuestro mundo. Los paisajes de nuestro mundo varían considerablemente, pero con la ayuda de mapas podemos organizar muchos tipos diferentes de información geográfica. Los elementos que forman nuestro mundo también varían en sus propiedades físicas y químicas pero solamente se necesita un mapa para organizar la gran cantidad de información que tenemos sobre los elementos este mapa es la tabla periódica La tabla periódica, al igual que un mapa, puede ayudar de muchas formas a organizar nuestro conocimiento de un mundo diverso.
El mundo diverso es la química. ¿Cómo organiza un mapa la información sobre un área? forma es clasificando diferencias en las regiones.
Por ejemplo, un mapa podría mostrar, mediante sus colores y símbolos, que la tierra está aquí y el agua aquí. Y un área pantanosa que separa las dos. Esta es una organización muy amplia de la información. La información sobre los elementos de la tabla periódica se organiza en términos generales de una manera semejante, dividiendo los elementos por sus propiedades en regiones de metales, metaloides y no metales. Un mapa también puede organizar información de acuerdo a las semejanzas dentro de un área determinada.
Un mapa de contorno, por ejemplo, puede organizar información acerca de un área de tierra en base a una elevación o acerca de un área de agua en base a un hundimiento. La tabla periódica proporciona a sí mismo una información detallada. Los elementos se ordenan según su número atómico, el número de protones del núcleo.
Cada fila horizontal o período muestra un tipo de relación. Cada columna o grupo muestra otro. Las detalladas relaciones que muestra la tabla periódica la han convertido probablemente en el instrumento organizativo más importante de la química.
Veamos qué tipo de información podemos obtener y, lo más importante, por qué funciona. En la sección de metales de la tabla, el litio es el elemento número 3. Puesto que es un metal, suponemos que será un buen conductor de la electricidad, y efectivamente lo es. El berilio también es un metal, pero de la parte derecha de la tabla. El berilio también conduce la electricidad, pero no como el litio. Y el boro, a la derecha del berilio, es un conductor pobre.
Así, estos tres elementos, en este orden, muestran una tendencia descendente de la conductividad. Si los sometemos a una prueba de una determinada reacción química, descubriríamos un tipo diferente de tendencia. Por ejemplo, supongamos que les hacemos reaccionar con una solución de ácido clorhídrico.
El litio reacciona enérgicamente. Cuando ha reaccionado todo el ácido clorhídrico y dejamos que se evapore el líquido, el sólido que permanece es el cloruro de litio, LICL. Hay un átomo de cloro por cada átomo de litio. Comparemos estas propiedades con las del berilio.
reacciona más lentamente que el ácido clorhídrico. Forma el cloruro de berilio, BCl2, dos átomos de cloro por cada átomo de berilio. El boro reacciona muy lentamente y forma el BCl3, un átomo de boro por cada tres de cloro. También aquí hemos encontrado una tendencia descendente en la proporción de reacción y una tendencia ascendente en su capacidad para enlazarse con el cloro.
A lo largo de toda la tabla se repiten similares tendencias ascendentes y descendentes en muchas propiedades de los elementos. Por ejemplo, cojamos el punto de fusión y comencemos esta vez con el elemento número uno, el hidrógeno. El punto de fusión del hidrógeno es bajo, pero el del helio es todavía menor.
Desde el litio hasta el carbono, el punto de fusión se eleva. Entonces desciende repentinamente y alcanza un punto bajo en el neón. En el sodio comienza a elevarse de nuevo hasta el silicio y entonces desciende hasta el argón y comienza a elevarse de nuevo hasta el potasio.
Ahora vemos claramente que hay algo más que una simple tendencia ascendente o descendente. Existe una periodicidad. Y si ponemos en un gráfico los puntos de fusión de todos los elementos en orden, periodo por periodo, entonces aparece la repetición o la naturaleza periódica de este modelo. Cada repetición o periodo finaliza con uno de los gases nobles. Estos se encuentran en los puntos más bajos del gráfico.
Y observemos que un gas noble finaliza cada periodo de la tabla periódica. Y el litio y los otros metales que se encuentran en la columna por debajo comienzan cada periodo de la tabla. En el gráfico de la tabla periódica, gráfico cada aumento periódico del punto de fusión comienza con uno de los metales de la columna del litio.
Este mismo tipo de periodicidad se muestra en los gráficos de otras propiedades de los elementos cuando éstos se ordenan de la misma manera que en la tabla periódica. Densidad, masa por unidad de volumen. Potencial de ionización, la energía necesaria para arrancar el electrón de la capa más externa de un átomo. Pero no únicamente los potenciales de ionización.
ionización del helio, neón, argón y los demás gases nobles tienen las mismas posiciones relativas en el gráfico como las tienen en la tabla periódica, pero sí las guardan los otros elementos que están entre ellos desde el flúor o cloro hasta el litio, sodio y potasio. Y de hecho, si simplemente extendiéramos los elementos desde el helio hasta el potasio, por orden de número atómico, en una tira de papel, y lo enrolláramos alrededor de un cilindro, de forma que los gases nobles cayeran en la misma columna vertical, obtendríamos la misma corrección. relación que vimos en el gráfico.
Pero estos grupos de elementos comparten muchas más semejanzas que el relativo potencial de ionización. Observemos el litio, sodio y potasio. Todos son metales blandos de baja densidad y bajos puntos de fusión y ebullición. Todos son elementos químicos extremadamente reactivos, incluso reaccionan violentamente con el agua. Ninguno de estos elementos se encuentra en la naturaleza en estado puro.
El flúor y el cloro, ambos gases a temperatura ambiente, son no metales altamente reactivos. El flúor, al igual que el cloro, nunca se encuentra libre en la naturaleza, solamente en compuestos. Y por supuesto el helio, el neón y el argón son gases altamente no reactivos y siempre se encuentran en la naturaleza en estado puro. Por supuesto, a lo que nos conduce esta disposición espiral cortando la tira después del helio, neón y argón, es a la tabla periódica en la cual la mayoría de los elementos que caen en las mismas columnas verticales son tan semejantes que se les considera un helio. considera como familias los metales alcaloides, los halógenos y los gases nobles.
El hidrógeno es un problema. Al ser el elemento número uno, generalmente se coloca aquí. Pero las propiedades del hidrógeno son solamente semejantes en parte a las de los gases nobles. las de los metales alcaloides.
También se computa como los halógenos. Al hidrógeno generalmente se le considera como relacionado con ambos grupos o familias y a menudo se le encuentra en ambos lugares de la tabla. esta forma tenemos la tabla periódica moderna, basada en lo que se considera como probablemente el trabajo individual que más influencia ha tenido en la historia de la química.
El elemento número 101 fabricado por el hombre, Mendelevio, en honor al químico ruso Dmitri Mendeleev, quien en 1869, en base al trabajo de muchos de sus antecesores, estableció el comienzo de nuestro esquema moderno de todos los elementos conocidos basados en sus propiedades periódicas. Nadie lo había hecho anteriormente. y nadie sabía cómo funcionaría la tabla hasta que los científicos desarrollaron un modelo nuevo de átomo que reveló una variación periódica en esta materia todavía más fundamental.
Comenzamos con el núcleo de un átomo. Pero tengamos en cuenta mientras observamos el átomo que no hay manera de mostrar los tamaños relativos correctamente. Si el núcleo tuviera el tamaño de un guisante, alrededor de un centímetro de diámetro, y estuviera en el medio de un campo de fútbol, los límites externos del átomo pasarían... los postes de las porterías.
El diámetro de un átomo estándar es realmente alrededor de 10.000 veces mayor que el diámetro de su núcleo. Tengamos esto en cuenta a medida que empezamos con el núcleo de un átomo y visualizamos nuestro modelo con tamaños de las diferentes partes sin guardar proporción unas con las otras. El número de protones del núcleo, el número atómico del elemento, está equilibrado por el mismo número de electrones que hay fuera del núcleo. Nosotros vemos estos electrones no como planetas en sus órbitas, sino en términos de regiones determinadas donde es posible que se encuentren.
más probable encontrar a los electrones. Estas se denominan de manera más precisa orbitales o niveles de energía. Para identificarlos se numeran desde el núcleo hacia afuera. Los niveles tienen subniveles. El primero tiene únicamente un subnivel.
El nivel 2 tiene dos subniveles. El nivel 3 tiene tres subniveles. El nivel 4 tiene cuatro subniveles, y así sucesivamente. Cada nivel nuevo tiene un posible subnivel más.
A los subniveles se les asignan nombres de letras. Al primer subnivel de cada nivel se le da la letra S. Al siguiente, P. Al tercero, D. Al cuarto, F.
Los subniveles poseen diferentes capacidades para los electrones. Mostramos estas capacidades al contar los orbitales. Existe un orbital de forma esférica para cada subnivel S. Tiene capacidad para dos electrones.
Dos es el número máximo de electrones que puede admitir cualquier orbital. El orbital es simplemente una región donde existe la mayor posibilidad de encontrar los electrones. Existen tres orbitales P de forma lobular. Cada uno puede admitir dos electrones. Y todos juntos, cuando están llenos, forman una región esférica de igual densidad.
Existen cinco orbitales D de diferente forma y orientación espacial. Cada uno de nuevo puede admitir dos electrones, teniendo estos cinco orbitales capacidad para diez electrones. Cuando están llenos, también forman una región esférica de igual densidad en electrones.
Veamos lo que tenemos hasta ahora en nuestro modelo de átomo. Cada subnivel S tiene un orbital y puede tener dos electrones. Cada subnivel P tiene tres orbitales y puede tener seis electrones. Cada subnivel D tiene cinco orbitales y puede tener diez electrones. Así es como se disponen los tres primeros niveles de energía.
El cuarto nivel de energía también tiene un subnivel F de 7 orbitales con una capacidad total para 14 electrones. El número que tiene el nivel de energía es... el mismo que tiene el subnivel.
Y el número de orbitales de cada subnivel comienza con 1, aumenta de 2 en 2, 1, 3, 5, 7 y así sucesivamente, con posibilidad de tener dos electrones en cada orbital. Veamos cómo explica este modelo el funcionamiento de la tabla periódica. Recordemos que los elementos de la tabla periódica están ordenados por su número atómico.
Consideremos el hidrógeno. Puesto que el hidrógeno es el elemento número uno, su número atómico es también uno, lo que quiere decir que tiene un protón en su núcleo. Y esto significa que tiene un electrón para equilibrar la carga.
Ahora, de acuerdo con nuestro modelo de átomo basado en los niveles de energía, los electrones empiezan llenando el nivel de energía más bajo disponible de un átomo. Y así, el hidrógeno, con solamente un electrón, lo tiene en el orbital sencillo del primer nivel. El helio es el elemento número dos, con dos protones, y así, para equilibrar su carga, tiene un electrón más que el hidrógeno. Y existe espacio para ese segundo electrón en el orbital del primer nivel.
Con el helio, ese nivel está lleno. Si hubiera más electrones, debieran colocarse en el siguiente nivel. Y ahora, observemos la tabla periódica.
Solamente hay dos elementos en el primer periodo, llenándolo al igual que dos electrones llenan el primer nivel de energía. El primer elemento del segundo periodo es el litio, el elemento número 3. Este tiene dos electrones. en el primer nivel y un electrón en el subnivel S del segundo nivel de energía.
Ahora cada elemento de la secuencia de este segundo periodo tiene un protón más en el núcleo y por lo tanto un electrón más en los subniveles del segundo nivel de energía hasta el neón con 8. Y el segundo nivel de energía está lleno. Los electrones adicionales deben ir al tercer nivel de energía. Y de nuevo comienza un nuevo periodo en la tabla.
Cada vez que un nuevo protón se añade al núcleo, se necesita otro electrón para equilibrar la carga. El sodio es el elemento número 11. 10 de sus 11 electrones se encuentran en los dos primeros niveles. 2 en el primer nivel, 8 en el segundo.
El electrón número 11 empieza a llenar el tercer nivel. Esto significa que el sodio tiene un electrón en su nivel más exterior, al igual que el litio, que est á por encima de él, y como el hidrógeno, por encima del litio. Ahora, cada elemento que sigue... y que en secuencia al sodio, tiene un electrón exterior más cada uno en el tercer nivel.
El magnesio tiene dos, al igual que el berilio. El aluminio tiene tres, como el boro. Y así continúa. y continúa a lo largo del periodo. Los orbitales del subnivel D son los próximos, pero los electrones siempre llenan el subnivel disponible de más baja energía y este subnivel D del tercer nivel no es el de menor energía.
De esta forma, el próximo electrón de un átomo va al subnivel S del cuarto nivel y comienza un nuevo periodo en la tabla, el cuarto, con el potasio, que tiene 19 protones. Y a medida que se añaden más protones, se añaden electrones adicionales para equilibrar la carga. El potasio tiene un electrón en el subnivel S del cuarto nivel.
El calcio tiene dos, uno y dos electrones más externos, al igual que en el par de elementos por encima de ellos. Y ahora que el subnivel S del cuarto nivel está lleno con el calcio, empieza a llenarse el subnivel D del tercer nivel. Con sus cinco orbitales tiene una capacidad para diez electrones. Y los siguientes diez elementos de la tabla periódica son el resultado del llenado de este subnivel, un electrón cada vez. Y así pueden llenarse los orbitales P del cuarto nivel.
Y a medida que se le añade un electrón se forman los siguientes seis elementos de la tabla, cada uno de ellos con la misma configuración electrónica externa que los seis elementos que se encuentran por encima de ellos en el período. Hasta ahora hemos recorrido alrededor de un tercio de los elementos de la tabla periódica. Recordemos que Mendeleyev ordenó la tabla de forma que los elementos con propiedades químicas semejantes se encontraran en las mismas columnas verticales.
Y de acuerdo con nuestro modelo, los elementos que se encuentran en la misma columna vertical tienen el mismo número de electrones en sus niveles de energía más exteriores. Estos electrones determinan principalmente la actividad química. Puesto que la disposición de estos electrones se repite periódicamente, las propiedades a que estos dan lugar también se repiten en los mismos periodos. Lo que hemos demostrado para los primeros cuatro periodos de la tabla se mantiene para los siete en total. Los elementos que tienen el mismo número de electrones externos se encuentran en las mismas columnas verticales y todos tienen propiedades semejantes.
Así, el modelo de átomo explica no solamente por qué existen determinadas familias de elementos, sino también por qué se observan ciertas tendencias en la tabla. ¿Por qué, por ejemplo, los elementos son cada vez menos metálicos a lo largo de cualquier periodo? Porque las propiedades metálicas dependen del número de electrones de la capa externa. El sodio en la primera columna tiene uno.
A medida que aumenta el número de electrones externos a lo largo del periodo, disminuyen las propiedades metálicas. Después del aluminio, el metaloide silicio comienza el cambio a los no metales, fósforo, azufre y cloro, y finalmente, argón. Y entonces aparece un electrón en el siguiente nivel, y de nuevo tenemos un metal, potasio. La repetición periódica de las propiedades de los elementos, punto de fusión, densidad, potencial de ionización, todas las propiedades físicas y químicas, pueden explicarse mediante este modelo que demuestra la naturaleza periódica de la estructura del átomo. Y este modelo explica por qué funciona la tabla periódica de Mendeleyev.
Al igual que el mapa de una compleja región, resume y organiza una enorme cantidad de información. Y también, como un mapa, ofrece una especie de guía en las áreas desconocidas. Mendeleyev fue el primero que la utilizó de esta manera.
Mientras trabajaba en su tabla, observó que había un espacio vacío debajo del silicio. Confiando en el parecido de la tabla con un mapa, predijo que debía existir un elemento que rellenara ese espacio. Lo llamó ecasilicio. Mendeleyev basó su tabla en las propiedades relacionadas de los elementos. De esta forma, revisó la tendencia en las propiedades de los elementos del grupo en el que se encontraba el silicio y calculó valores intermedios para las propiedades del ecasilicio.
Predijo que la densidad del ecasilicio sería aproximadamente de 5,5 gramos por centímetro cúbico. Asimismo, pensó que formaría un compuesto con cuatro átomos de cloro y que este compuesto herviría aproximadamente a 100 grados centígrados. algunos años más tarde se descubrió este elemento y se llamó oficialmente germanio La densidad del germanio es de 5,6 gramos por centímetro cúbico.
El germanio forma Cl4Ge y este compuesto hierve a 83 grados centígrados. Las predicciones de Mendeleyev fueron notablemente aproximadas para ser un elemento desconocido. Al nombrar el elemento 101 en honor de Mendeleyev, el mundo científico subrayaría la gran importancia de su trabajo.
La tabla periódica de Mendeleyev, la base de nuestra tabla moderna de elementos, proporcionó una notable cantidad de información. Nos conduce a un conocimiento más profundo de la naturaleza de nuestro mundo, del que nunca hayamos tenido anteriormente.