15 de noviembre de 2012

Una tabla con mucha química

Si preguntas a alguien cómo imagina a un químico en su día a día hay cosas que no pueden faltar. La bata, un laboratorio caótico con gases y líquidos de colores, el pelo verde por el uso de sustancias química...y la tabla periódica. La tabla periódica es, sin lugar a dudas, el icono de los químicos.




Podríamos hablar de los orígenes de la Tabla Periódica o de cómo se fueron ordenando los elementos químicos a lo largo de la historia de la química, pero eso no es lo que pretende este post. Ya hablaremos más adelante de Mendeleiev y su importancia en la elaboración del sistema periódico actual o de los antecedentes históricos. Ahora buscamos otra cosa.

Vamos a intentar hacer ver a los no-químicos y a los futuros químicos  por qué la tabla periódica, nuestra tabla periódica, es una herramienta fundamental en nuestra ciencia.

La tabla periódica es una forma de ordenar los elementos químicos. Ordenamos  los elementos para que nos sea mucho más fácil su estudio. Pero los libros en una estantería podemos colocarlos en orden alfabético, por temática, por autor...Para ordenar se necesita un criterio.

¿Cuál es el criterio de los químicos para ordenar los elementos químicos? Tiene que ser algo característico de cada elemento químico. Ese parámetro característico es el número atómico (Z), es decir, el número de protones que  presentes en el núcleo del átomo del elemento.  Éste es característico de cada elemento. No hay dos elementos con el mismo número atómico. Por tanto es un buen criterio para ordenar los elementos químicos.

Los elementos químicos en la tabla periódica están ordenados en número creciente de número atómico, desde Z=1 (Hidrógeno,H) hasta Z=118 (Ununactio,Uuo).

¿Pero esto no parece nada sorprendente verdad? Pues no es así...

Si se colocan los elementos químicos según aumenta su número atómico, se oberva una variación periódica (es decir, que se repite) en sus propiedades. ¡Sorpresa! Ya hemos llegado al porqué de nuestra tabla con tanta química. Este es el motivo por el que hablamos de tabla periódica.

Cuando miramos la tabla periódica vemos una serie de filas y de columnas. A las filas las llamamos periodos y a las columnas, grupos. Hay un total de 18 grupos y 7 filas.

Todos los elementos del mismo grupo tienen idéntica configuración de la capa electrónica más externa del átomo (capa de valencia). Estos electrones (electrones de valencia) son los responsabes de las propiedades químicas y del tipo de enelace que van a paresentar los elementos. Es decir, las propiedades químicas de los elementos de un mismo grupo serán similares.

El grupo 1 es el grupo de los metales alcalinos (Li,Na,K,Rb,Cs y Fr). El grupo 2 es el grupo de los metales alcalinotérreos (Be,Mg,Ca,Sr,Ba y Ra). El grupo 13 corresponde a los elementos térreos (B,Al.Ga,In,Tl). El grupo 14 es el grupo de los elementos carbonoideos (C.Si,Ge,Sn y Pb). Los elementos del  grupo 15 son los nitrogenoideos (N,P,As,Sb y Bi). Los halógenos (F,Cl,Br y I)  los encontramos en el grupo 17. Los famosos gases nobles (He,Ne,Ar,Kr,Xe y Rn) son los elementos del grupo 18. Estos son los llamado elementos representativos de la tabla periódica. Se caracterizan porque  su capa de valencia implica  a orbitales s y p. Pero todavía faltan más elementos...

 Los grupos 3 a 12 corresponden a los metales de transición. En el caso de estos elementos los orbitales d aparecerán en la capa de valencia y jugarán un papel clave en la química de estos elementos. Los compuestos de coordinación que forman estos metales con otras moléculas (ligandos) no sería posible sin la existencia de los orbitales d.

Y nos quedan los elementos "marginados" de la table periódica. Los elementos con Z entre 57 (Lantano,La) y 71 (Lutecio, Lu) : y los que presentan Z comprendida entre 89 (Actínio, Ac) y 103 (Laurencio, Lr) son los llamados elementos de transición interna. Son los lantánidos (Z=57-71) y actínidos (Z=89-103).  Están "marginados" en el sentido en que se sacan fuera del resto de la tabla. ¿El motivo? El espacio. No queremos que la tabla sea excesivamente larga. Estos elementos presentan electrones en orbitales f en su capa de valencia. 
 

Ya sabemos cómo están ordenados los elementos en la table periódica. Pero aún desconocemos qué nos dice la table periódica al químico.

En primer lugar tenemos los datos evidentes. En muchas tablas aparecen datos como puntos de fusión y ebullición de los elementos, sus valencias (digamos mejor , estados de oxidación) más importantes, su masa atómica y otros mucho datos. Pero no es esa la información a la que me refiero.

La tabla periódica tiene una información "intrínseca". Una información que implica saber química para poderla usar. Algo así como  "un mensaje oculto" en la table periódica que sólo los químicos podemos ver.

Cuando un químico mira la tabla periódica "ve" el tamaño de los átomos. Sólo con mirarla sabe que el cesio es mucho mayor que el litio y que el lito a su vez es mucho mayor que el oxígeno o que el fluor. Tamaño atómico. Esa es la primera información "oculta" que el químico ve en la tabla periódica. 

Y para poder entender el tamaño atómico tenemos que recordar que los electrones tienen carga negativa. Esto hace que cuando mayor sea el número de protones de un núcleo atómico (mayor Z) mayor sea la atracción del núcleo por esos electrones...pero ojo, porque también habrá más electrones en el átomo, y como son cargas negativas, se repelen entre sí. Considerando los protones, se favorecería una contracción de la nube electrónica del átomo. Pero por las repulsiones entre electrones  , se sugiere lo contrario. ¿Qué hacemos? Para ello los químicos han definido la carga nuclear efectiva Z* como Z-A donde Z es el número atómico y A es el apantallamiento, es decir, el efecto que los electrones del conjunto ejercen sobre la atracción que el núcleo (con cargas positiva) puede ejercer sobre los electrones externos (con carga negativa). De alguna manera,  es como si los electrones internos "dispersasen" parte de esa atracción nuclear, de modo que la atracción que realmente sufren los electrones externos es menor de la que cabría esperar. 

El otro aspecto a tener en cuenta es el número cuántico principal (n), que da cuenta del tamaño del orbital. A mayor n, mayor tamaño. Cuando descendemos en un grupo en la tabla periódica, n aumenta, lo cual favorecería un aumento del tamaño atómico.  En cambio Z* también aumenta (porque aumenta Z más que A), lo cual favorecería un tamaño menor al descender en el grupo. En la práctica , prevalece el aumento de n. Es decir, el tamaño atómico al descender en un grupo de la tabla periódica aumenta. Los átomos son cada vez más grandes. Imagínate "bolitas" cada vez más grandes al bajar en un grupo. Eso es lo que un químico ve.

¿Y en un periodo? En un periodo n no va a variar, asi que el factor clave será Z*. Como Z* irá aumentando de izquierda a derecha en un periodo (porque aumenta Z frende al aumento de A), entonces la nube electrónica es cada vez más atraida por el núcleo  y el tamaño atómico va siendo cada vez menor. Las "bolitas" se van haciendo cada vez más pequeñas.

¡Fijate! El químico se hace una idea del tamaño de los átomos sólo con ver la tabla periódica. ¡De un vistazo! No necesita calcular nada. Sólo con mirar ya tiene una idea aproximada. ¿Qué gran logro, verdad?
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