Desenvolupament històric de la taula periòdica

El $1829$, el químic alemany Johann Döbereiner va publicar les seves «tríades»: grups de tres elements amb propietats químiques molt semblants, com ara el liti, el sodi i el potassi.

1. a) Què va observar Döbereiner sobre la massa atòmica de l'element central de cada tríada, comparada amb la mitjana de les masses dels altres dos?
2. b) Quines propietats compartien els elements de la tríada dels metalls alcalins? Cita'n dues.

Les masses atòmiques del clor, el brom i el iode són $35,5\ \text{u}$, $79,9\ \text{u}$ i $126,9\ \text{u}$. Calcula la mitjana de les masses del clor i del iode i comprova si coincideix, aproximadament, amb la massa del brom, com afirmava la regla de les tríades de Döbereiner.

El $1865$, l'anglès John Newlands va ordenar els elements coneguts per massa atòmica creixent i va observar que, a partir del liti, cada vuitè element repetia les propietats del primer: ho va anomenar «llei de les octaves». L'esquema representa la seva «escala» d'elements:

1. a) Per què va triar aquest nom musical?
2. b) Comptant el liti com el primer, els set elements següents per massa són Be, B, C, N, O, F i Na: quin element ocupa la «vuitena nota» del liti? S'assemblen les seves propietats?

Una altra tríada clàssica de Döbereiner la formen el calci ($40,1\ \text{u}$), l'estronci ($87,6\ \text{u}$) i el bari ($137,3\ \text{u}$).

1. a) Calcula la mitjana de les masses del calci i del bari.
2. b) Calcula la desviació percentual d'aquesta mitjana respecte a la massa real de l'estronci i valora si la regla de les tríades funciona en aquest cas.

Els extrems de la tríada dels metalls alcalins són el liti ($6,9\ \text{u}$) i el potassi ($39,1\ \text{u}$).

1. a) Fes servir la regla de Döbereiner per predir la massa atòmica de l'element central, el sodi.
2. b) La massa real del sodi és $23,0\ \text{u}$: calcula l'error percentual de la predicció i comenta el resultat.

El $1869$, el rus Dmitri Mendeléiev va publicar la primera versió de la seva taula periòdica amb els $63$ elements coneguts aleshores.

1. a) Segons quin criteri va ordenar principalment els elements?
2. b) Quan el següent element de la llista no encaixava en les propietats d'una columna, Mendeléiev deixava un buit en lloc de forçar-lo: com va interpretar aquests buits?

Mendeléiev va predir l'existència d'un element desconegut al qual va anomenar eka-alumini, descobert pocs anys després i batejat com a gal·li ($\text{Ga}$). L'esquema mostra el buit que va deixar Mendeléiev a la seva taula:

1. a) El prefix eka significa «el que està un més enllà» en sànscrit: quina posició ocupava l'eka-alumini respecte a l'alumini a la taula?
2. b) Què hauria passat amb la credibilitat de la taula periòdica si el gal·li no s'hagués trobat mai?

El tel·luri ($M = 127,6\ \text{u}$) és més pesant que el iode ($M = 126,9\ \text{u}$); tanmateix, Mendeléiev va col·locar el tel·luri abans que el iode, contra l'ordre creixent de masses.

1. a) Quines propietats químiques el van portar a fer aquesta inversió?
2. b) Quin criteri d'ordenació, descobert dècades després, va justificar que aquesta inversió fos correcta?

Mendeléiev va predir per a l'eka-alumini una massa atòmica d'unes $68\ \text{u}$ i una densitat de $5,9\ \text{g/cm}^3$. El gal·li, descobert el $1875$ per Lecoq de Boisbaudran, té una massa de $69,7\ \text{u}$ i una densitat de $5,9\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcula l'error percentual de la massa predita.
2. b) Valora la qualitat conjunta de totes dues prediccions: què diuen del mètode que va utilitzar Mendeléiev?

Un alumne busca tríades de Döbereiner entre aquests elements, amb les seves masses atòmiques: Mg ($24,3\ \text{u}$), Ca ($40,1\ \text{u}$), Sr ($87,6\ \text{u}$), Ba ($137,3\ \text{u}$) i Zn ($65,4\ \text{u}$).

1. a) Comprova, calculant les mitjanes pertinents, quins conjunts de tres elements consecutius en massa compleixen la regla de Döbereiner (la massa del central coincideix amb la mitjana dels extrems amb un error menor del $5\ \%$).
2. b) De les tríades que compleixen la regla numèrica, quines agrupen també elements químicament semblants?
3. c) Conclou per què la regla de les tríades, per si sola, no va ser suficient per ordenar tots els elements coneguts.

Mendeléiev va predir el $1871$ per a l'eka-silici: massa atòmica $72\ \text{u}$, densitat $5,5\ \text{g/cm}^3$ i un òxid de fórmula $\text{EO}_2$ amb densitat $4,7\ \text{g/cm}^3$. El germani, descobert el $1886$, té una massa de $72,6\ \text{u}$, una densitat de $5,3\ \text{g/cm}^3$, i el seu òxid $\text{GeO}_2$ té una densitat de $4,2\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcula l'error percentual de cadascuna de les tres prediccions.
2. b) Per què va predir un òxid de fórmula $\text{EO}_2$ i no $\text{EO}$ o $\text{E}_2\text{O}_3$? Pensa en la columna del silici i en les fórmules dels seus compostos.
3. c) A la vista d'aquests resultats, comenta la frase «la taula periòdica és una eina predictiva».

El $1913$, el jove físic britànic Henry Moseley va estudiar els raigs X emesos per diferents elements en bombardejar-los amb electrons i va trobar una regularitat perfecta. L'esquema resumeix el seu muntatge experimental:

1. a) Quina magnitud física va assignar Moseley a cada element com a criteri d'ordenació, en lloc de la massa atòmica?
2. b) Com s'anomena avui aquest nombre a la taula periòdica i què compta exactament a l'àtom?

L'argó té una massa atòmica de $39,9\ \text{u}$ i el potassi, de $39,1\ \text{u}$; tanmateix, a la taula moderna l'argó ($Z = 18$) va abans que el potassi ($Z = 19$).

1. a) Ordena l'Ar i el K primer per massa i després per $Z$: quina de les dues ordenacions encaixa amb les seves propietats (gas inert enfront de metall tou molt reactiu)?
2. b) Explica com el treball de Moseley va eliminar per sempre aquest tipus d'«inversions» que a Mendeléiev li van quedar sense explicació.

Moseley va mesurar la freqüència $\nu$ dels raigs X característics de molts elements i va trobar que l'arrel quadrada de la freqüència creix linealment amb el nombre atòmic:

$\sqrt{\nu} = 4,98\cdot10^{7}\cdot\left(Z - 1\right)\ \text{Hz}^{1/2}$

Representats en una gràfica, els valors dels elements cauen sobre una recta:

1. a) Calcula la freqüència dels raigs X característics del coure ($Z = 29$).
2. b) Una mostra metàl·lica desconeguda emet raigs X amb $\nu = 1,54\cdot10^{18}\ \text{Hz}$: calcula el seu nombre atòmic i identifica l'element sabent que $Z = 26$ correspon al ferro.
3. c) Explica per què aquesta llei va permetre ordenar la taula per $Z$ sense cap ambigüitat, una cosa impossible amb la massa atòmica.

Les tres «inversions» clàssiques de la taula són Ar ($39,9\ \text{u}$)–K ($39,1\ \text{u}$), Co ($58,9\ \text{u}$)–Ni ($58,7\ \text{u}$) i Te ($127,6\ \text{u}$)–I ($126,9\ \text{u}$): en tots tres parells, l'element més pesant va abans a la taula.

1. a) Comprova amb els nombres atòmics (Ar: $Z = 18$, K: $Z = 19$; Co: $Z = 27$, Ni: $Z = 28$; Te: $Z = 52$, I: $Z = 53$) que l'ordre per $Z$ és el contrari a l'ordre per massa en tots tres casos.
2. b) La massa atòmica d'un element és la mitjana ponderada de les masses dels seus isòtops naturals: fes servir aquesta idea per explicar com un element amb menor $Z$ pot resultar més pesant que el següent.
3. c) Conclou per què la massa atòmica no pot ser el criteri d'ordenació de la taula i el nombre atòmic sí.

Enuncia amb les teves paraules la llei periòdica actual.

1. a) De quina magnitud depenen periòdicament les propietats dels elements?
2. b) Què significa que les propietats es repeteixen «periòdicament»? Dona suport a la teva resposta amb un exemple de dos elements de propietats molt semblants situats a la mateixa columna.

La llei de les octaves de Newlands funcionava raonablement bé amb els elements més lleugers, però deixava de complir-se a partir del calci.

1. a) Ordena per massa creixent aquests vuit elements: Li ($6,9\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$) i N ($14,0\ \text{u}$), i comprova que el vuitè s'assembla químicament al primer.
2. b) Proposa una raó històrica per la qual la llei de les octaves no va poder ser general: pensa en quants elements es coneixien el $1865$ i quines famílies senceres faltaven encara per descobrir.

El $1886$, Clemens Winkler va aïllar el germani ($\text{Ge}$) a partir del mineral argirodita i va comprovar que les seves propietats coincidien gairebé exactament amb les de l'eka-silici predit per Mendeléiev quinze anys abans. La primera pista que hi havia un element nou en aquest mineral la va donar l'anàlisi del seu espectre.

1. a) Per què l'aparició de línies espectrals desconegudes delata la presència d'un element nou?
2. b) Quina relació té aquest episodi amb la idea de la taula periòdica com a eina predictiva?

Els punts de fusió dels halògens són: $\text{F}_2$: $-220\ \celsius$, $\text{Cl}_2$: $-101\ \celsius$, $\text{Br}_2$: $-7\ \celsius$ i $\text{I}_2$: $114\ \celsius$.

1. a) Dibuixa al teu quadern el punt de fusió enfront del nombre de període i descriu la tendència del grup.
2. b) L'àstat, l'halogen següent, amb prou feines existeix a la natura i gairebé no s'ha pogut estudiar: estima gràficament el seu punt de fusió i raona si serà sòlid a temperatura ambient ($25\ \celsius$).

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

Les densitats dels metalls alcalins són: Li: $0,53\ \text{g/cm}^3$, Na: $0,97\ \text{g/cm}^3$, K: $0,86\ \text{g/cm}^3$, Rb: $1,53\ \text{g/cm}^3$ i Cs: $1,87\ \text{g/cm}^3$. La figura representa aquests valors:

1. a) Segueixen una tendència estrictament creixent en baixar en el grup? Assenyala l'excepció.
2. b) Estima un valor raonable per a la densitat del franci, l'alcalí del setè període, i justifica la teva estimació a partir de la tendència general.

La taula de Mendeléiev tenia quatre dificultats que la taula actual no té: ① no hi havia columna per als gasos nobles; ② l'hidrogen no encaixava bé en cap grup; ③ els isòtops d'un mateix element semblaven exigir diverses caselles; ④ les terres rares (lantànids) no trobaven lloc.

1. a) Explica l'origen històric o químic de cadascuna de les quatre dificultats.
2. b) Explica com les resol la taula actual, ordenada per $Z$ i construïda a partir de les configuracions electròniques.
3. c) Quan Ramsay va descobrir els gasos nobles en els anys $1890$, la taula va poder afegir una columna sencera sense trencar-se: raona per què aquest descobriment va reforçar la taula en lloc de destruir-la.

Imagina que és el $1865$ i només coneixes aquests deu elements, ja ordenats per massa: Li ($6,9\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), N ($14,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Mg ($24,3\ \text{u}$) i Si ($28,1\ \text{u}$). Les seves propietats: Li i Na són metalls tous que reaccionen amb l'aigua; Be i Mg són metalls més durs i menys reactius; B i Si són metal·loides; C, N, O i F són no-metalls.

1. a) Comprova la llei de les octaves de Newlands: cada vuitè element s'assembla al primer de la seva «escala»? Identifica els tres parells que la confirmen.
2. b) L'argó ($Z = 18$, $39,9\ \text{u}$) no es va descobrir fins al $1894$: raona on l'hauria col·locat Newlands i quin problema hauria suposat per a la seva escala musical un element que no s'assembla a cap altre.
3. c) Explica per què la taula de Mendeléiev, que deixava buits, era més flexible que l'escala tancada de Newlands.

Els punts de fusió dels metalls alcalins són: Li: $181\ \celsius$, Na: $98\ \celsius$, K: $64\ \celsius$, Rb: $39\ \celsius$ i Cs: $28\ \celsius$.

1. a) Dibuixa al teu quadern la tendència i estima el punt de fusió del franci, l'alcalí del setè període.
2. b) Prediu també, justificant-ho a partir del comportament del grup: el seu estat a temperatura ambient ($25\ \celsius$), la seva duresa i el seu comportament davant de l'aigua.
3. c) El franci és tan escàs i radioactiu que les seves propietats mesurades amb prou feines es coneixen: explica per què la taula periòdica permet fer ciència predictiva fins i tot amb elements gairebé impossibles d'estudiar al laboratori.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

Escriu un breu informe titulat «De les tríades al nombre atòmic: com es va construir la taula periòdica».

1. a) Resumeix l'aportació de Döbereiner, Newlands, Mendeléiev i Moseley, indicant el criteri d'ordenació que va proposar cadascun.
2. b) Assenyala quin problema quedava sense resoldre després de cada científic i com el va abordar el següent.
3. c) Conclou explicant per què es diu que una bona teoria científica no només ordena el que és conegut, sinó que prediu el que és desconegut: il·lustra-ho amb el cas de l'eka-alumini.