Desarrollo histórico de la tabla periódica

En $1829$, el químico alemán Johann Döbereiner publicó sus «tríadas»: grupos de tres elementos con propiedades químicas muy parecidas, como litio, sodio y potasio.

1. 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?
2. b) ¿Qué propiedades compartían los elementos de la tríada de los metales alcalinos? Cita dos.

Las masas atómicas del cloro, el bromo y el yodo son $35,5\ \text{u}$, $79,9\ \text{u}$ y $126,9\ \text{u}$. Calcula la media de las masas del cloro y del yodo y comprueba si coincide, aproximadamente, con la masa del bromo, como afirmaba la regla de las tríadas de Döbereiner.

En $1865$, el inglés John Newlands 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». El esquema representa su «escala» de elementos:

1. a) ¿Por qué eligió ese nombre musical?
2. b) Contando el litio como el primero, los siete elementos siguientes por masa son Be, B, C, N, O, F y Na: ¿qué elemento ocupa la «octava nota» del litio? ¿Se parecen sus propiedades?

Otra tríada clásica de Döbereiner la forman el calcio ($40,1\ \text{u}$), el estroncio ($87,6\ \text{u}$) y el bario ($137,3\ \text{u}$).

1. a) Calcula la media de las masas del calcio y del bario.
2. b) Calcula la desviación porcentual de esa media respecto a la masa real del estroncio y valora si la regla de las tríadas funciona en este caso.

Los extremos de la tríada de los metales alcalinos son el litio ($6,9\ \text{u}$) y el potasio ($39,1\ \text{u}$).

1. a) Usa la regla de Döbereiner para predecir la masa atómica del elemento central, el sodio.
2. b) La masa real del sodio es $23,0\ \text{u}$: calcula el error porcentual de la predicción y comenta el resultado.

En $1869$, el ruso Dmitri Mendeléiev publicó la primera versión de su tabla periódica con los $63$ elementos entonces conocidos.

1. a) ¿Según qué criterio ordenó principalmente los elementos?
2. 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 muestra el hueco que dejó Mendeléiev en su tabla:

1. 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?
2. b) ¿Qué habría pasado con la credibilidad de la tabla periódica si el galio jamás se hubiera encontrado?

El telurio ($M = 127,6\ \text{u}$) es más pesado que el yodo ($M = 126,9\ \text{u}$); sin embargo, Mendeléiev colocó el telurio antes que el yodo, contra el orden creciente de masas.

1. a) ¿Qué propiedades químicas le llevaron a hacer esa inversión?
2. b) ¿Qué criterio de ordenación, descubierto décadas después, justificó que esa inversión fuera correcta?

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 $5,9\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcula el error porcentual de la masa predicha.
2. b) Valora la calidad conjunta de ambas predicciones: ¿qué dicen del método que usó Mendeléiev?

Un alumno busca tríadas de Döbereiner entre estos elementos, con sus masas atómicas: Mg ($24,3\ \text{u}$), Ca ($40,1\ \text{u}$), Sr ($87,6\ \text{u}$), Ba ($137,3\ \text{u}$) y Zn ($65,4\ \text{u}$).

1. a) Comprueba, calculando las medias pertinentes, qué conjuntos de tres elementos consecutivos en masa cumplen la regla de Döbereiner (la masa del central coincide con la media de los extremos con un error menor del $5\ \%$).
2. b) De las tríadas que cumplen la regla numérica, ¿cuáles agrupan también elementos químicamente semejantes?
3. c) Concluye por qué la regla de las tríadas, por sí sola, no bastó para ordenar todos los elementos conocidos.

Mendeléiev predijo en $1871$ para el eka-silicio: masa atómica $72\ \text{u}$, densidad $5,5\ \text{g/cm}^3$ y un óxido de fórmula $\text{EO}_2$ con densidad $4,7\ \text{g/cm}^3$. El germanio, descubierto en $1886$, tiene masa $72,6\ \text{u}$, densidad $5,3\ \text{g/cm}^3$, y su óxido $\text{GeO}_2$ tiene densidad $4,2\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcula el error porcentual de cada una de las tres predicciones.
2. b) ¿Por qué predijo un óxido de fórmula $\text{EO}_2$ y no $\text{EO}$ o $\text{E}_2\text{O}_3$? Piensa en la columna del silicio y en las fórmulas de sus compuestos.
3. c) A la vista de estos resultados, comenta la frase «la tabla periódica es una herramienta predictiva».

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:

1. a) ¿Qué magnitud física asignó Moseley a cada elemento como criterio de ordenación, en lugar de la masa atómica?
2. 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 ($Z = 19$).

1. a) Ordena 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)?
2. b) Explica cómo el trabajo de Moseley eliminó para siempre este tipo de «inversiones» que a Mendeléiev le quedaron sin explicación.

Moseley midió la frecuencia $\nu$ de los rayos X característicos de muchos elementos y encontró que la raíz cuadrada de la frecuencia crece linealmente con el número atómico:

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

Representados en una gráfica, los valores de los elementos caen sobre una recta:

1. a) Calcula la frecuencia de los rayos X característicos del cobre ($Z = 29$).
2. b) Una muestra metálica desconocida emite rayos X con $\nu = 1,54\cdot10^{18}\ \text{Hz}$: calcula su número atómico e identifica el elemento sabiendo que $Z = 26$ corresponde al hierro.
3. c) Explica por qué esta ley permitió ordenar la tabla por $Z$ sin ninguna ambigüedad, algo imposible con la masa atómica.

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.

1. a) Comprueba 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.
2. b) La masa atómica de un elemento es la media ponderada de las masas de sus isótopos naturales: usa esa idea para explicar cómo un elemento con menor $Z$ puede resultar más pesado que el siguiente.
3. c) Concluye por qué la masa atómica no puede ser el criterio de ordenación de la tabla y el número atómico sí.

Enuncia con tus palabras la ley periódica actual.

1. a) ¿De qué magnitud dependen periódicamente las propiedades de los elementos?
2. b) ¿Qué significa que las propiedades se repiten «periódicamente»? Apoya tu respuesta con un ejemplo de dos elementos de propiedades muy parecidas situados en la misma columna.

La ley de las octavas de Newlands funcionaba razonablemente bien con los elementos más ligeros, pero dejaba de cumplirse a partir del calcio.

1. a) Ordena por masa creciente estos ocho elementos: 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 ($16,0\ \text{u}$) y N ($14,0\ \text{u}$), y comprueba que el octavo se parece químicamente al primero.
2. b) Propón una razón histórica por la que la ley de las octavas no pudo ser general: piensa en cuántos elementos se conocían en $1865$ y qué familias enteras faltaban aún por descubrir.

En $1886$, Clemens Winkler aisló el germanio ($\text{Ge}$) a partir del mineral argirodita y comprobó que sus propiedades coincidían casi exactamente con las del eka-silicio predicho por Mendeléiev quince años antes. La primera pista de que había un elemento nuevo en ese mineral la dio el análisis de su espectro.

1. a) ¿Por qué la aparición de líneas espectrales desconocidas delata la presencia de un elemento nuevo?
2. b) ¿Qué relación tiene este episodio con la idea de la tabla periódica como herramienta predictiva?

Los puntos de fusión de los halógenos son: $\text{F}_2$: $-220\ \celsius$, $\text{Cl}_2$: $-101\ \celsius$, $\text{Br}_2$: $-7\ \celsius$ e $\text{I}_2$: $114\ \celsius$.

1. a) Dibuja en tu cuaderno el punto de fusión frente al número de periodo y describe la tendencia del grupo.
2. b) El astato, el halógeno siguiente, apenas existe en la naturaleza y casi no se ha podido estudiar: estima gráficamente su punto de fusión y razona si será sólido a temperatura ambiente ($25\ \celsius$).

Las densidades de los metales alcalinos son: Li: $0,53\ \text{g/cm}^3$, Na: $0,97\ \text{g/cm}^3$, K: $0,86\ \text{g/cm}^3$, Rb: $1,53\ \text{g/cm}^3$ y Cs: $1,87\ \text{g/cm}^3$. La figura representa estos valores:

1. a) ¿Siguen una tendencia estrictamente creciente al bajar en el grupo? Señala la excepción.
2. b) Estima un valor razonable para la densidad del francio, el alcalino del séptimo periodo, y justifica tu estimación a partir de la tendencia general.

La tabla de Mendeléiev tenía cuatro dificultades que la tabla actual no tiene: ① no había columna para los gases nobles; ② el hidrógeno no encajaba bien en ningún grupo; ③ los isótopos de un mismo elemento parecían exigir varias casillas; ④ las tierras raras (lantánidos) no encontraban sitio.

1. a) Explica el origen histórico o químico de cada una de las cuatro dificultades.
2. b) Explica cómo las resuelve la tabla actual, ordenada por $Z$ y construida a partir de las configuraciones electrónicas.
3. c) Cuando Ramsay descubrió los gases nobles en los años $1890$, la tabla pudo añadir una columna entera sin romperse: razona por qué ese descubrimiento reforzó la tabla en lugar de destruirla.

Imagina que es $1865$ y solo conoces estos diez elementos, ya ordenados por masa: 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 ($24,3\ \text{u}$) y Si ($28,1\ \text{u}$). Sus propiedades: Li y Na son metales blandos que reaccionan con el agua; Be y Mg son metales más duros y menos reactivos; B y Si son metaloides; C, N, O y F son no metales.

1. a) Comprueba la ley de las octavas de Newlands: ¿cada octavo elemento se parece al primero de su «escala»? Identifica los tres pares que la confirman.
2. b) El argón ($Z = 18$) no se descubrió hasta $1894$: razona dónde lo habría colocado Newlands y qué problema habría supuesto para su escala musical un elemento que no se parece a ningún otro.
3. c) Explica por qué la tabla de Mendeléiev, que dejaba huecos, era más flexible que la escala cerrada de Newlands.

Los puntos de fusión de los metales alcalinos son: Li: $181\ \celsius$, Na: $98\ \celsius$, K: $64\ \celsius$, Rb: $39\ \celsius$ y Cs: $28\ \celsius$.

1. a) Dibuja en tu cuaderno la tendencia y estima el punto de fusión del francio, el alcalino del séptimo periodo.
2. b) Predice también, justificándolo a partir del comportamiento del grupo: su estado a temperatura ambiente, su dureza y su comportamiento frente al agua.
3. c) El francio es tan escaso y radiactivo que sus propiedades medidas apenas se conocen: explica por qué la tabla periódica permite hacer ciencia predictiva incluso con elementos casi imposibles de estudiar en el laboratorio.

Escribe un breve informe titulado «De las tríadas al número atómico: cómo se construyó la tabla periódica».

1. a) Resume la aportación de Döbereiner, Newlands, Mendeléiev y Moseley, indicando el criterio de ordenación que propuso cada uno.
2. b) Señala qué problema quedaba sin resolver tras cada científico y cómo lo abordó el siguiente.
3. c) Concluye explicando por qué se dice que una buena teoría científica no solo ordena lo conocido, sino que predice lo desconocido: ilústralo con el caso del eka-aluminio.