Desarrollo histórico de la tabla periódica
La tabla periódica que cuelga en el laboratorio de su colegio, en Tegucigalpa o en La Ceiba, parece que siempre fue así de ordenada. No fue así: llevó más de cuarenta años encontrar el criterio correcto, y en el camino hubo aciertos brillantes, predicciones que se cumplieron casi al gramo y errores que nadie pudo explicar hasta que llegó la física atómica. ¿Qué criterio resultó ser el bueno, y por qué los anteriores fallaban?
Los primeros intentos: tríadas y octavas
En 1829, el alemán Johann Döbereiner notó que ciertos grupos de tres elementos de propiedades químicas parecidas, las tríadas, tenían una regularidad numérica: la masa atómica del elemento central era, aproximadamente, la media de las masas de los otros dos.
En 1865, el inglés John Newlands dio un paso más ambicioso: ordenó los elementos conocidos por masa atómica creciente y observó que, a partir del litio, cada octavo elemento repetía las propiedades del primero. Lo llamó «ley de las octavas» por analogía con la escala musical: después de las siete notas, la octava es de nuevo un do.
Funcionaba bien con los elementos ligeros, pero fallaba pronto. En 1865 se conocían apenas unos sesenta elementos y faltaban familias enteras, como los gases nobles. Una escala cerrada de ocho en ocho no tenía lugar para lo que faltaba por descubrir.
En $1829$, el químico alemán Johann Döbereiner publicó sus «tríadas»: grupos de tres elementos con propiedades químicas muy parecidas, como litio, sodio y potasio. a)…
En $1829$, el químico alemán Johann Döbereiner publicó sus «tríadas»: grupos de tres elementos con propiedades químicas muy parecidas, como litio, sodio y potasio.
- a) ¿Qué observó Döbereiner sobre la masa atómica del elemento central de cada tríada, comparada con la media de las masas de los otros dos?
- b) ¿Qué propiedades compartían los elementos de la tríada de los metales alcalinos? Cite dos.
Las masas atómicas del cloro, el bromo y el yodo son $35.5\ \text{u}$, $79.9\ \text{u}$ y $126.9\ \text{u}$. Calcule la media de las masas del cloro y del yodo y…
Las masas atómicas del cloro, el bromo y el yodo son $35.5\ \text{u}$, $79.9\ \text{u}$ y $126.9\ \text{u}$. Calcule la media de las masas del cloro y del yodo y compruebe si coincide, aproximadamente, con la masa del bromo, como afirmaba la regla de las tríadas de Döbereiner.
Los extremos de la tríada de los metales alcalinos son el litio ($6.9\ \text{u}$) y el potasio ($39.1\ \text{u}$). a) Use la regla de Döbereiner para predecir la masa…
Los extremos de la tríada de los metales alcalinos son el litio ($6.9\ \text{u}$) y el potasio ($39.1\ \text{u}$).
- a) Use la regla de Döbereiner para predecir la masa atómica del elemento central, el sodio.
- b) La masa real del sodio es $23.0\ \text{u}$: calcule el error porcentual de la predicción y comente el resultado.
Mendeléiev: huecos en vez de forzar el orden
En 1869, el ruso Dmitri Mendeléiev publicó una tabla con los 63 elementos conocidos, ordenados también por masa atómica creciente, pero con una idea decisiva: cuando el siguiente elemento de la lista no encajaba en las propiedades de una columna, dejaba un hueco en vez de forzarlo en el lugar equivocado.
El caso más famoso es el eka-aluminio, el hueco bajo el aluminio («eka» significa «uno más allá» en sánscrito). Mendeléiev predijo para él una masa atómica de unos $68\ \text{u}$ y una densidad de $5.9\ \text{g/cm}^3$. En 1875, Lecoq de Boisbaudran descubrió el galio ($\text{Ga}$): masa $69.7\ \text{u}$ y densidad $5.9\ \text{g/cm}^3$.
Lo mismo pasó con el eka-silicio, que Mendeléiev describió en 1871 y que Clemens Winkler aisló en 1886 como germanio ($\text{Ge}$), al analizar químicamente el mineral argirodita. Las propiedades del nuevo elemento coincidieron casi exactamente con las predichas. Por cierto, la espectroscopia (cada elemento emite líneas de luz características, como en la pirotecnia) fue en esa época una herramienta general para identificar elementos nuevos, porque unas líneas desconocidas delatan un elemento desconocido.
Para predecir, Mendeléiev usaba las tendencias de la columna: si una propiedad cambia de forma regular al bajar en el grupo, el valor del elemento que falta queda entre sus vecinos (interpolación) o a continuación de ellos (extrapolación). También predecía la fórmula de sus compuestos por la de los vecinos: el silicio forma $\text{SiO}_2$, así que el eka-silicio debía formar $\text{EO}_2$.
Mendeléiev también tuvo que invertir algunos pares, como el telurio ($127.6\ \text{u}$) y el yodo ($126.9\ \text{u}$): por sus propiedades, el telurio debía ir antes aunque pesara más. No supo explicar por qué.
En $1869$, el ruso Dmitri Mendeléiev publicó la primera versión de su tabla periódica con los $63$ elementos entonces conocidos. a) ¿Según qué criterio ordenó…
En $1869$, el ruso Dmitri Mendeléiev publicó la primera versión de su tabla periódica con los $63$ elementos entonces conocidos.
- a) ¿Según qué criterio ordenó principalmente los elementos?
- b) Cuando el siguiente elemento de la lista no encajaba en las propiedades de una columna, Mendeléiev dejaba un hueco en lugar de forzarlo: ¿cómo interpretó esos huecos?
Mendeléiev predijo la existencia de un elemento desconocido al que llamó eka-aluminio, descubierto pocos años después y bautizado como galio ($\text{Ga}$). El esquema…
Mendeléiev predijo la existencia de un elemento desconocido al que llamó eka-aluminio, descubierto pocos años después y bautizado como galio ($\text{Ga}$). El esquema muestra el hueco que dejó Mendeléiev en su tabla:
- a) El prefijo eka significa «el que está uno más allá» en sánscrito: ¿qué posición ocupaba el eka-aluminio respecto al aluminio en la tabla?
- b) ¿Qué habría pasado con la credibilidad de la tabla periódica si el galio jamás se hubiera encontrado?
Mendeléiev predijo para el eka-aluminio una masa atómica de unas $68\ \text{u}$ y una densidad de $5.9\ \text{g/cm}^3$. El galio, descubierto en $1875$ por Lecoq de…
Mendeléiev predijo para el eka-aluminio una masa atómica de unas $68\ \text{u}$ y una densidad de $5.9\ \text{g/cm}^3$. El galio, descubierto en $1875$ por Lecoq de Boisbaudran, tiene masa $69.7\ \text{u}$ y densidad $5.9\ \text{g/cm}^3$.
- a) Calcule el error porcentual de la masa predicha.
- b) Valore la calidad conjunta de ambas predicciones: ¿qué dicen del método que usó Mendeléiev?
Moseley: el número atómico sustituye a la masa
La tabla de Mendeléiev tenía un problema de fondo: la masa atómica producía inversiones (Ar–K, Co–Ni, Te–I) que nadie sabía explicar. La solución llegó en 1913 con un físico británico de 26 años, Henry Moseley.
Moseley bombardeó distintos elementos con electrones y midió los rayos X característicos que emitían. Encontró que esa radiación se relacionaba de forma muy regular con un número entero creciente, uno por elemento: el número atómico $Z$, es decir, el número de protones del núcleo. Para cada elemento, ese número es exacto y no tiene ambigüedad. A diferencia de la masa, que depende de la mezcla de isótopos de cada elemento, $Z$ es un entero exacto, sin ambigüedad.
Con este criterio, las inversiones dejan de ser un misterio. El argón ($Z=18$) va antes que el potasio ($Z=19$) aunque pese un poco más (masa atómica $39.9\ \text{u}$ frente a $39.1\ \text{u}$). La masa atómica es la media ponderada de las masas de los isótopos naturales, y un elemento con menos protones puede tener, en promedio, más neutrones que el siguiente. Lo mismo pasa con Co–Ni y Te–I.
Los rayos X de cada elemento permitían a Moseley asignarle su $Z$: así se identifica un elemento.
En $1913$, el joven físico británico Henry Moseley estudió los rayos X emitidos por distintos elementos al bombardearlos con electrones y encontró una regularidad…
En $1913$, el joven físico británico Henry Moseley estudió los rayos X emitidos por distintos elementos al bombardearlos con electrones y encontró una regularidad perfecta. El esquema resume su montaje experimental:
- a) ¿Qué magnitud física asignó Moseley a cada elemento como criterio de ordenación, en lugar de la masa atómica?
- b) ¿Cómo se llama hoy ese número en la tabla periódica y qué cuenta exactamente en el átomo?
El argón tiene masa atómica $39.9\ \text{u}$ y el potasio, $39.1\ \text{u}$; sin embargo, en la tabla moderna el argón ($Z = 18$) va antes que el potasio ($Z = 19$). a)…
El argón tiene masa atómica $39.9\ \text{u}$ y el potasio, $39.1\ \text{u}$; sin embargo, en la tabla moderna el argón ($Z = 18$) va antes que el potasio ($Z = 19$).
- a) Ordene el Ar y el K primero por masa y después por $Z$: ¿cuál de las dos ordenaciones encaja con sus propiedades (gas inerte frente a metal blando muy reactivo)?
- b) Explique cómo el trabajo de Moseley eliminó para siempre este tipo de «inversiones» que a Mendeléiev le quedaron sin explicación.
Las tres «inversiones» clásicas de la tabla son Ar ($39.9\ \text{u}$)–K ($39.1\ \text{u}$), Co ($58.9\ \text{u}$)–Ni ($58.7\ \text{u}$) y Te ($127.6\ \text{u}$)–I…
Las tres «inversiones» clásicas de la tabla son Ar ($39.9\ \text{u}$)–K ($39.1\ \text{u}$), Co ($58.9\ \text{u}$)–Ni ($58.7\ \text{u}$) y Te ($127.6\ \text{u}$)–I ($126.9\ \text{u}$): en los tres pares, el elemento más pesado va antes en la tabla.
- a) Compruebe con los números atómicos (Ar: $Z = 18$, K: $Z = 19$; Co: $Z = 27$, Ni: $Z = 28$; Te: $Z = 52$, I: $Z = 53$) que el orden por $Z$ es el contrario al orden por masa en los tres casos.
- b) La masa atómica de un elemento es la media ponderada de las masas de sus isótopos naturales: use esa idea para explicar cómo un elemento con menor $Z$ puede resultar más pesado que el siguiente.
- c) Concluya por qué la masa atómica no puede ser el criterio de ordenación de la tabla y el número atómico sí.
Lo que la tabla moderna resolvió
La tabla de Mendeléiev, con todo su acierto, tenía cuatro dificultades que la actual no tiene:
| Dificultad en 1869 | Cómo la resuelve la tabla actual |
|---|---|
| No había columna para los gases nobles (aún no descubiertos) | Forman el grupo 18, una columna propia |
| El hidrógeno no encajaba bien en ningún grupo | Ocupa su lugar por $Z = 1$ |
| Los isótopos parecían exigir casillas distintas | Todos los isótopos comparten casilla: mismo $Z$ |
| Las tierras raras (lantánidos) no tenían sitio | Forman un bloque aparte, debajo de la tabla, según su estructura electrónica |
En los años 1890, William Ramsay descubrió los gases nobles: helio, neón, argón, kriptón y xenón. Era un grupo entero desconocido, pero la tabla le añadió una columna sin mover nada del resto.
Que un hallazgo inesperado encajara sin forzar nada mostró que la estructura de la tabla no era arbitraria: reflejaba algo real sobre los átomos.
Vuelva al principio: el criterio correcto es el número atómico $Z$. Las masas atómicas daban inversiones sin explicación; los protones del núcleo las eliminan.
Enuncie con sus palabras la ley periódica actual. a) ¿De qué magnitud dependen periódicamente las propiedades de los elementos? b) ¿Qué significa que las propiedades se…
Enuncie con sus palabras la ley periódica actual.
- a) ¿De qué magnitud dependen periódicamente las propiedades de los elementos?
- b) ¿Qué significa que las propiedades se repiten «periódicamente»? Apoye su respuesta con un ejemplo de dos elementos de propiedades muy parecidas situados en la misma columna.
Los puntos de fusión de los halógenos son: $\text{F}2$: $-220\ \celsius$, $\text{Cl}2$: $-101\ \celsius$, $\text{Br}2$: $-7\ \celsius$ e $\text{I}2$: $114\ \celsius$. a)…
Los puntos de fusión de los halógenos son: $\text{F}_2$: $-220\ \celsius$, $\text{Cl}_2$: $-101\ \celsius$, $\text{Br}_2$: $-7\ \celsius$ e $\text{I}_2$: $114\ \celsius$.
- a) Dibuje en su cuaderno la gráfica del punto de fusión frente al número de periodo y describa la tendencia del grupo.
- b) El astato, el halógeno siguiente, apenas existe en la naturaleza y casi no se ha podido estudiar: estime gráficamente su punto de fusión y razone si será sólido a temperatura ambiente ($25\ \celsius$).
Puede hacerlo en papel y enviar una foto con su respuesta.
Los puntos de fusión de los metales alcalinos son: Li: $181\ \celsius$, Na: $98\ \celsius$, K: $64\ \celsius$, Rb: $39\ \celsius$ y Cs: $28\ \celsius$. a) Dibuje en su…
Los puntos de fusión de los metales alcalinos son: Li: $181\ \celsius$, Na: $98\ \celsius$, K: $64\ \celsius$, Rb: $39\ \celsius$ y Cs: $28\ \celsius$.
- a) Dibuje en su cuaderno la tendencia y estime el punto de fusión del francio, el alcalino del séptimo periodo.
- b) Prediga también, justificándolo a partir del comportamiento del grupo: su estado a temperatura ambiente ($25\ \celsius$), su dureza y su comportamiento frente al agua.
- c) El francio es tan escaso y radiactivo que sus propiedades medidas apenas se conocen: explique por qué la tabla periódica permite hacer ciencia predictiva incluso con elementos casi imposibles de estudiar en el laboratorio.
Puede hacerlo en papel y enviar una foto con su respuesta.