Sistema Periódico

Clasificación o sistema periódico de los elementos.

La observación de la repetición de las propiedades químicas de algunos elementos y la semejanza de sus propiedades físicas, condujo a diversos intentos para su ordenación. En 1817 Dobereiner ordenó la veintena de los conocidos en triadas. En 1864 Nervlands ordenó los elementos de acuerdo con su creciente peso atómico, destacando la reaparición de propiedades químicas y físicas, después de cada intervalo de ocho elementos. Por analogía con la escala musical le llamó ley de las octavas. Su aportación no fue apreciada por sus contemporáneos. En 1869 Dimitri Mendeleev y Lothar Meyer, independientemente, propusieron una clara clasificación de los 55 elementos conocidos en esa época; el primero, considerando las propiedades químicas como función del peso atómico; el segundo, considerando propiedades físicas, v. gr.: volumen atómico, puntos de fusión y ebullición, como función del peso atómico. Mendeleev expuso más claramente la importancia de la periodicidad; el significado de las series pares e impares de los elementos; la de los elementos de transición, y señaló la existencia de algunos elementos químicos conocidos en ese tiempo asignándoles propiedades químicas y físicas, por ejemplo: el galio (Ga), el escandio (Sc) y el germanio (Ge). El significado de la repetición periódica de las propiedades de los elementos se comprendió al aclararse la estructura del átomo y la observación de Moseley (1913) sobre la frecuencia (v) de los rayos X emitidos por un elemento al recibir el impacto de electrones de alta velocidad. La raíz cuadrada de esta frecuencia V-v era proporcional a un número entero (Z), igual al número de orden que en el sistema periódico de Mendeleev le correspondía al elemento (Z). Fue llamado número atómico y se encontró que es igual al número de protones en el núcleo o de electrones del elemento. Esto justificó las violaciones de Mendeleev respecto a las posiciones del cobalto y el niquel, y del telurio y el yodo. La distribución de los electrones en capas o niveles cuánticos está sujeta a ciertas reglas que originan repeticiones en el número de electrones en el nivel más externo, y de estos electrones dependen las propiedades químicas de los atómos. Todos los elementos que tengan igual número de electrones en la capa más externa tendrán propiedades químicas similares. Las propiedades químicas son función periódica del número atómico. El sistema o clasificación periódica de Mendeleev y el de Meyer resultaba defectuoso por: (a) la posición asignada al hidrógeno; (b) posición de los metales, particularmente en el grupo del hierro, cobalto y níquel; (c) posición de las "tierras raras o lantánidos". Continuamente se han propuesto sistemas periódicos corregidos para tratar de enmendar defectos señalados y hacer más exactas y completas las deducciones sobre las propiedades físicas y químicas de un elemento y sus compuestos. La Tabla 9-1 corresponde a uno de los sistemas más aceptados.

Este sistema proporciona la información de que los elementos colocados en columnas verticales forman fa­milias o grupos con propiedades químicas similares, v.gr.: la la de los metales alcalinos, Li, Na, K, Rb, Cs y Fr (87) o la VIIb, de los halógenos: F, Cl, Br, I, At (85). Los elementos en fila horizontal forman períodos; los dos primeros con 8 elementos cada uno, son los períodos cortos; el resto son los períodos largos. En cada cuadro hay un elemento del que se indica su número atómico (Z), símbolo, peso atómico, diámetro atómico, radio iónico. Los elementos de cada familia se dividen en subgrupos a para los típicos, y b para los de transición. Los elementos metálicos están a la izquierda y al centro (la- IIIb); los metaloides y no metales a la derecha (IVb hasta VIlb); los gases nobles en el 0. En cualquier familia la capa más externa contiene igual número de electrones que son los de valencia, exceptuando el hidrógeno (H) y el helio (He). Para los elementos metálicos, de las familias I-IIlb el número de la columna es la valencia o numero de oxidación del elemento. Para los metaloides y no metales el numero de la columna menos ocho da la valencia. Los elementos anfóteros (con propiedades tanto de metales como de no metales) pueden tener dos valencias, v. grr.:

Grupo       I           II     III   IV      V      VI        VII     0

Valencia +1         +2    +3  +4-4 +5-3   +6,-2    +7,-1   0

Ejemplos Li, Ag  Ca   Al    C,Ge   N      S      Cl       Ne

tabla 9-2

ALGUNAS PROPIEDADES FISICAS DE ELEMENTOS DEL GRUPO la y Vilb

Elemento

Símbolo

Punto de

Punto de

Densidad

Radios

Potencial

fusión °C

ebullición

g/ml

atómicos A

de

°C

ionización

en eV

litio

Li

186

1335

0.534

1.55

 5.4

sodio

Na

97.4

880

0.97

1.90

 -5.1

potasio

K

62.3

760

0.86

2.35

 -4.3

rubidio

Rb

38.5

700

1.53

2.48

 -4.2

cesio

Cs

28.5

670

1.87

2.67

 -3.9

fluor

F

-223

-187 °

1.11

-0.22

17.4

cloro

Cl

-102

-33.7

1.56

-0.99

 13.0

bromo

Br

-7

58.8

3.12

-1.142

 11.8

yodo

I

113

183

4.93

-1.33

 10.4

 

A medida que aumenta el número atómico de los miembros de una familia, aumenta: (a) la densidad (véase Tabla 9-?), ya que la masa atómica crece más que el volumen atómico; (h) el color F (gas amarillo verdoso), Cl (gas verde), Br (líquido rojo), I, sólido (negro púrpura);(c) el volumen y el radio atómico; (d) el caràcter metalico; (e) el radio iónico, aunque el radio iónico de los elementos metálicos es menor que su radio atómico, en los no metales, el radio iónico es mayor que el correspondiente radio atómico. Al aumentar el número atómico de los miembros de una familia disminuye su potencial de ionízaclón (los electrones más externos están mas alejados del núcleo positivo, y los electrones internos actúan de pantalla disminuyendo su acción sobre los electrones externos). La electroafinidad energía desprendida por un ion gaseoso que recibe un electrón y pasa a átomo gaseoso, es igual en valor al potencial de ionización y disminuye al aumentar el número atómico de los miembros de una familia. La electronegatividad es la tendencia de un átomo a captar electrones. En una familia disminuye con el número atómico y en un período aumenta con el número atómico.

En los periodos, la actividad química de los metales disminuye y la de los no metales va aumentando de izquierda a derecha.

Elementos de transición.

Los elementos de transición son metales y tienen átomos con la capa o nivel cuántico d ocupada parcialmente. Sus configuraciones electrónicas son del tipo (n-I) d1-9 ns2 . Esta serie se inicia con elementos del grupo III

PERIODICA DE LOS ELEMENTOS


Sistema Periódico

escandio (Z = 21), ytrio (Z = 39), lantano (Z = 57) y actinio (Z = 89). Las tres primeras series terminan con el niquel (Z = 28), paladio (Z = 46) y platino (Z = 78).

Elementos de transición interna

Los elementos de transición interna, tienen las capas electrónicas d y f incompletas. Forman dos series: (a) las tierras raras o lantànidos (de configuración electrónica parcial 4f1-13 5S2 5p6, 5d16s2) que empieza en el cerio (Z = 58) y continúa hasta el yterbio (Z = 70); (b) los actenidos, (de configuración electrónica parcial 5f 1-13, 6s2 6p6, 6d1 7S2 que empiezan con el patroactinio (Z = 91) para completarse en el elemento 102.

Ejemplo 1

¿Cuál será la estructura electrónica del elemento de número atómico (Z) 19?

Respuesta

El elemento potasio (K), según el sistema periódico, tiene 19 electrones como lo indica su número atómico,

Está en el cuarto período y por lo tanto tiene 4 capas de electrones. Para llegar al potasio se pasa por los ele­mentos siguientes:

H y He que corresponden al primer período y aportan electrones a la segunda capa.

He =1s2

Li y Be, que corresponden al segundo período y aportan electrones a la subcapa s.

Be = 1s2 2s2

Del B al Ne, que son del segundo período y aportan sus electrones a la subcapa p de la capa 2.

Ne = 1s2 2s2 2p6

Del Na y el Mg, que aportan electrones 3s

Mg = 1s2 2s2 2p6 3s2

Del Al al Ar, que aportan electrones 3p

Ar = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

K que aporta un electrón 4s

K = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

Ejemplo 2

¿Cuál es la valencia del calcio (Z=20) tomando en cuenta su configuración electrónica?

Respuesta

La configuración electrónica del Ca es: Ca = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

En su cuarta capa, la más externa, tiene dos electrones s, que puede perder adquiriendo dos valencias positivas. Asimismo, por ser miembro de la segunda familia o grupo se deduce que es un elemento divalente.

Ejemplo 3

¿Cuál será la valencia del manganeso (Z = 25) ?

Respuesta

La configuración electrónica del Mn, elemento del cuarto período es:

Mn = 1s2 2s2 2p6 3s2 3d5 4s2

En su cuarta capa, la más externa, tiene dos electrones s, pero tiene una subcapa 3d incompleta, por lo que será un elemento de transición y éstos pueden también perder electrones de la subcapa 3d dando varios tipos de iones. Por lo tanto el manganeso se comportará como elemento divalente, trivalente, tetravalente y heptavalente.

Ejemplo 4

Colóquense en orden, de mayor a menor potencial de ionización, el bario, calcio, berilio, magnesio y estroncio.

Respuesta

Estos elementos son de la segunda familia o grupo. El que tiene menor radio atómico es el Be y el mayor el Ba. Como el potencial de ionización disminuye con el aumento del radio atómico y teniendo en cuenta el orden de sus números atómicos, deducimos que:

el potencial de ionización es Be> Mg> Ca> Sr> Ba.

Ejemplo 5

Ordene en orden de mayor a menor potencial de ionización los siguientes elementos: cloro, sodio, neón, boro, cobalto, rubidio, yodo.

Respuesta

Siendo el Ne un gas noble, tendrá el mayor potencial de ionización. A éste seguiran el Cl y el I que están en el grupo VII, de estos dos, el cloro tiene menor volumen atómico y por lo tanto mayor potencial de ionización. En la parte central del sistema periódico están B y el Co, pero el B está en el grupo V yen el segundo período, mientras que el Co está en el grupo VIII (átomos de radio pequeño) y en el período cuarto, por lo que el potencial de ionización del B será mayor que el del Co. Por último a la izquierda están el Na y el Rb, ambos del grupo I, pero el Na en el segundo período y el rubidio en el quinto tienen menor potencial de ionización. De manera que quedan ordenados así:

Ne> Cl> I> B> Co> Na> Rb.

Ejemplo 6

¿Cuál es la fórmula para el óxido de cada uno de los siguientes elementos?

(a) indio             (b) plomo

Respuesta

(a) El indio (In), pertenece al grupo III b quinto período y debe tener por lo tanto 3 electrones en su capa de valencia, de suerte que el perderlos se quedaría con tres cargas positivas. Como el oxígeno es divalente negativo, el óxido que es eléctricamente neutro, será: in2 0 3

( b) El plomo ( Pb) pertenece al grupo lVb, sexto período. Por lo tanto tiene cuatro electrones en su capa de valencia que puede ceder para adquirir cuatro valencias positivas y al combinarse con el oxígeno dar: Pb02.

Ejercicios

Utilice el sistema periódico para resolverlos.

1.Indique que miembro de cada uno de los pares siguientes es químicamente más activo.

(a) ¿bario o calcio?; (b) ¿sodio o potasio?; (c) ¿potasio o calcio?;

(d) ¿bromo o yodo? (e) ¿oxígeno o azufre?

2. ¿Cuáles de los siguientes elementos, son metales?

Na, Al, S, Ne, Ca, C, Mn, Sc, W, Se

3. Escriba la estructura electrónica de los elementos que componen el período III.

4. Ordénese de mayor a menor volumen atómico, los gases nobles.

5. Ordénese de mayor a menor potencial de ionización, los elementos, Te, O, S y Se.

6. Ordénese de menor a mayor potencial de ionización, los elementos: I, Sn, Sr, In, Rb.

7. Escriba la fórmula para el óxido de cada uno de los elementos siguientes:

(a) molibdeno, (Z = 42); (b) estroncio (Z = 38); (c) cromo (Z = 24);

(d) tungsteno (wolframio) (Z = 74).

8. Escriba la fórmula para el óxido de cada uno de los elementos siguientes:

(a) fósforo (Z = 15); (b) (Z = 55); (c) silicio (Z = 14); (d) radio (Z = 88).

9. ¿Cuál será la fórmula del compuesto que forma el hidrógeno con cada uno de los elementos siguientes?

(a) bromo (Z = 35); (b) arsénico (Z = 33); (c) silicio (Z = 14);

(d) nitrógeno (Z = 7); (e) selenio (Z = 34).

10. ¿Cuál será la fórmula del compuesto producido al reaccionar entre sí los siguientes pares de elementos?

(a) azufre y sodio; (b) calcio y fósforo; (c) bario y astatino;

(d) aluminio y yodo; (e) indio y fluor; (f) titanio y cloro.

11. Sugiera una explicación sobre el incremento de las afinidades electrónicas de izquierda a derecha a lo largo de un determinado período del sistema periódico.

12. En cada uno de los siguientes pares indique cual será el ion de mayor diámetro: (a) Mn++ y Zn++; (b) Ti++ y Fe++; (c) O= y F; (d) S= y Se=

Respuestas

1. (a) Ca; (b) K; (c) K; (d) Br; (e) O

2. Na, Al, Ca, Mn, Sc, W.

3. Es un ejercicio teórico

4 . Xe, Kr, Ar, Ne, He

5. O, S. Se, Te

6. Rb, Sr, In, Sn, I.

7 . (a) Mo03 ; (b) Sr0 ; (c ) Cr03; (d ) W03

8 . (a) P205 ; (b) Cs20 ; (c) Si02; (d) Ra0 ;

9 . (a) HBr; (b) AsH3 ; (c) SiH4 ; (d) NH3 ; (e) H2Se

10 . (a) Na2S ; (b) Ca3P2 ; (c) BaAt2 ; (d ) A1I3 ; (e ) InF3 ; (f ) TiC14

11. Al aumentar la carga nuclear se aumenta la atracción hacia un electrón extra.

12 . (a ) Mn++; (b) Ti++; (c) O= ; (d ) Se=