GUÍA DE AUTOAPRENDIZAJE – SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS
OBJETIVOS INFORMATIVOS
Comprender el ordenamiento de los elementos de la tabla periódica actual.
Clasificar a los elementos químicos según configuración externa en términos de representativos transición, gases nobles.
Conocer los conceptos de Radio atómico, energía de ionización, electronegatividad y electroafinidad.
Objetivo(s) procedimental(es) u operativo(s):
Deducir el grupo y periodo a que pertenece un elemento a base de su configuración electrónica externa.
Discutir la variación periódica de estas propiedades en la tabla periódica.
Objetivo(s) actitudinal(es) o valórico(s):
Aprecian la importancia de elaborar modelos científicos como instrumentos para la integración de conceptos y explicación de fenómenos.
Tabla periódica
La tabla periódica actual obedece a un ordenamiento de los elementos de a cuerdo a una serie de características y propiedades que se repiten a lo largo de ella. La primera forma de clasificar a los elementos fue según su número atómico (Z) o bien según su tamaño, por ello el primer elemento que conforma la tabla periódica es el hidrógeno.
Otra de las propiedades que ayudaron a formar el sistema periódico es que los elementos con configuraciones atómicas externas similares se comportan de manera parecida en muchos aspectos.
El origen de la tabla periódica data aproximadamente de 1864, cuando el químico inglés John Newlands observó que cuando los elementos conocidos se ordenaban de acuerdo con sus masas atómicas, cada octavo elemento tenía propiedades similares. Newlands se refirió a esta relación como la ley de las octavas. Sin embargo, esta ley no se cumple para elementos que se encuentran mas allá del calcio, y por eso la comunidad científica de la época no aceptó su trabajo. En 1869 el químico ruso Dimitri Mendeleev propuso una tabulación más amplia de los elementos basada en la recurrencia periódica y regular de las propiedades. Este segundo intento de sistema periódico hizo posible la predicción de las propiedades de varios elementos que aún no habían sido descubiertos. Por ejemplo, Mendeleev propuso la existencia de un elemento desconocido que llamó eka–aluminio, cuya ubicación debiera ser inmediatamente bajo el aluminio. Cuando el galio fue descubierto cuatro años más tarde, se encontró que las propiedades predichas para el eka– aluminio coincidían notablemente con las observadas en el galio.
Actualmente la tabla está ordenada en siete filas horizontales, llamadas periodos que indican el último nivel enérgico que tiene un elemento. Las 18 columnas (verticales) son llamadas grupos, e indican el número de electrones en la última capa.
Clasificación periódica
De acuerdo con el tipo de subnivel que ha sido llenado, los elementos se pueden dividir en categorías: los elementos representativos, los gases nobles, los elementos de transición (o metales de transición), los lantánidos y los actínidos.
Los elementos representativos son los elementos de los grupos 1A hasta 7A, todos los cuales tienen incompletos los subniveles s ó p del máximo número cuántico principal. Con excepción del He, los gases nobles ―que conforman el grupo 8A― tienen el mismo subnivel p completo.
Los metales de transición son los elementos 1B y del 3B hasta el 8B, los cuales tienen capas d incompletas, o fácilmente forman cationes con subniveles d incompletos. Los elementos del grupo 2B son Z, Cd, y Hg, que no son representativos ni metales de transición.
A los lantánidos y actínidos se les llama también elementos de transición interna del bloque f porque tienen subniveles f incompletos.
Si analizamos las configuraciones del grupo 1A vemos que son similares: todos tienen el último electrón en un orbital s. El grupo 2A tiene configuración ns2 para los dos electrones más externos. La similitud de las configuraciones electrónicas externas es lo que hace parecidos a los elementos de un grupo en su comportamiento químico. Esta observación es válida para el resto de los elementos representativos. Si analizamos la configuración del grupo 7A, o elementos halógenos, todos ellos poseen configuración ns2np5, haciendo que tengan propiedades muy similares como grupo.
Variaciones periódicas de las propiedades físicas
- La energía de ionización es la energía mínima necesaria para que un átomo gaseoso en su estado fundamental o de menor energía ceda un electrón y obtenga un ión positivo gaseoso en su estado fundamental:
Las energías de ionización de los elementos de un periodo aumentan al incrementarse el número atómico. Cabe destacar que las energías de ionización de los gases nobles (grupo 8A) son mayores que todas las demás, debido a que la mayoría de los gases nobles son químicamente inertes en virtud de sus elevadas energías de ionización. Los elementos del grupo 1A (los metales alcalinos) tienen las menores energías de ionización. Cada uno de estos elementos tiene un electrón en la última capa, el cual es energéticamente fácil de quitar, por ello los elementos de este grupo forman cationes (iones positivos).
Dentro de un grupo, la energía o potencial de ionización disminuye a medida que aumenta el número atómico, es decir de arriba abajo. Esto se debe a que en elementos más grandes la fuerza con la que están unidos los electrones es mayor que en átomos más pequeños, y para sacar un electrón se requiere más la energía.
Figura 1: Aumento de potencial ionización según periodo y grupo
La afinidad electrónica: es el cambio de energía cuando un átomo acepta un electrón en el estado gaseoso:
Entre más negativa sea la afinidad electrónica, mayor será la tendencia del átomo a aceptar un electrón. La afinidad electrónica aumenta (en forma global) al moverse de izquierda a derecha dentro de un periodo. Los elementos que presentan energías más negativas son los halógenos (7A), debido a que la electronegatividad o capacidad de estos elementos es muy alta.
Figura 2: Aumento de la afinidad electrónica según periodo y grupo
Radio atómico: es la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos adyacentes. Numerosas propiedades físicas, incluyendo la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, están relacionadas con el tamaño de los átomos. Los radios atómicos están determinados en gran medida por cuán fuertemente atrae el núcleo a los electrones. A mayor carga nuclear efectiva los electrones estarán más fuertemente enlazados al núcleo y menor será el radio atómico. Dentro de un periodo, el radio atómico disminuye constantemente debido a que aumenta la carga nuclear efectiva. A medida que se desciende en un grupo el radio aumenta según aumenta el número atómico.
Figura 3: Aumento de radio atómico según periodo y grupo
Radio iónico: es el radio de un catión o de un anión. El radio iónico afecta las propiedades físicas y químicas de un compuesto iónico. Por ejemplo, la estructura tridimensional de un compuesto depende del tamaño relativo de sus cationes y aniones. Cuando un átomo neutro se convierte en un ión, se espera un cambio en el tamaño. Si el átomo forma un anión, su tamaño aumenta dado que la carga nuclear permanece constate pero la repulsión resultante entre electrones extiende el dominio de la nube electrónica. Por otro lado, un catión es más pequeño que su átomo neutro, dado que quitar uno o más electrones reduce la repulsión electrón–electrón y se contrae la nube electrónica. El radio iónico aumenta de acuerdo al radio atómico, es decir a lo largo de un periodo aumenta conforme el número atómico, y en un grupo aumenta hacia abajo.
Figura 4: Aumento de radio iónico según periodo y grupo
Actividad: ¿Cómo varían las propiedades físicas de los elementos en la tabla periódica?
En total se conocen más de 118 elementos que forman toda la materia que conoces. Algunos de esos 118 elementos se encuentran en la naturaleza formando parte de compuestos o bien como sustancias puras. Otros elementos fueron sintetizados artificialmente, sin embargo son muy inestables y, por lo tanto, existen durante muy pocos segundos.
¿Cómo organizar estos 118 elementos?
Todos estos elementos han sido descubiertos paulatinamente por muchos científicos. Organizar estos elementos, de modo que todos podamos acceder a sus propiedades, no ha sido fácil. Los primeros intentos de organizar los elementos que ya se habían descubierto se realizaron durante el siglo XVII, cuando John Newlands observó que al ordenar los elementos conocidos de acuerdo con sus masas atómicas, cada octavo elemento tenía propiedades similares. Newlands se refirió a esta relación como la ley de las octavas.
Sin embargo, esta ley no se cumple para elementos que se encuentran más allá del calcio (Ca), haciendo que su trabajo no fuera aceptado por la comunidad científica de la época.
Más tarde, el químico ruso Dimitri Mendeleiev propuso una tabulación más amplia de los elementos, que se basó en la recurrencia periódica y regular de las propiedades. Este segundo intento de sistema periódico hizo posible la predicción de las propiedades de varios elementos que aún no habían sido descubiertos.
¿Cómo está organizada la tabla periódica?
Actualmente, la tabla está ordenada en siete filas horizontales, llamadas períodos, y 18 columnas (verticales), llamadas grupos.
Los períodos indican el último nivel energético que tiene un elemento, mientras que los grupos indican el número de electrones en la última capa.
De acuerdo con el tipo de subnivel que ha sido llenado, los elementos se pueden dividir en distintas categorías:
- Elementos representativos: conforman los grupos 1A hasta 7A. Estos elementos tienen incompletos los subniveles s o p del máximo número cuántico principal (nivel energético).
- Metales alcalinos: corresponden al grupo 1A.
- Metales alcalinotérreos: forman el grupo 2A de la Tabla Periódica.
- Gases nobles: conforman el grupo 8A. Estos elementos tienen completos los niveles energéticos, cumpliendo con la regla de dueto u octeto.
- Elementos de transición (o metales de transición): elementos 1B y del 3B hasta el 8B, los que tienen capas d incompletas, o fácilmente forman cationes con subniveles d incompletos.
- Lantánidos y actínidos: se les llama también elementos de transición interna del bloque f porque tienen subniveles f incompletos.
- Halógenos: pertenecen al grupo 7A, y todos ellos poseen configuración ns2np5, haciendo que tengan propiedades muy similares como grupo.
¿Y qué pasó con el grupo 2B?
Los elementos del grupo 2B son Zn, Cd, y Hg, los que no son representativos ni metales de transición, debido a que tienen completa la capa d y la siguiente capa s y, por otra parte, vacía la última capa p.
¿Varían las propiedades físicas de los elementos de acuerdo con su ubicación en la tabla periódica?
Existen variaciones de propiedades físicas por grupo y por período de elemento. Algunas de las propiedades físicas que cambian periódicamente en la tabla son:
- Energía de ionización: es la energía mínima necesaria para que un átomo gaseoso en su estado fundamental o de menor energía ceda electrón, transformándose en un ion positivo gaseoso en estado fundamental.
- Afinidad electrónica: corresponde al cambio de energía cuando un átomo acepta un electrón en el estado gaseoso.
- Radio atómico: corresponde a la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos adyacentes.
- Radio Iónico: es el radio de un catión o de un anión.
…¿Y cómo cambian estas propiedades?
Para poder responder a esta pregunta consigue una tabla periódica que contenga los valores de energía de ionización, afinidad electrónica, radio atómico y radio iónico. Existen tablas periódicas que puedes mirar en internet que también tienen estos datos. Una vez que consigas tu tabla periódica, realiza las actividades que se encuentran a continuación.
I Variación de la energía de ionización
1. Anota en la tabla siguiente los potenciales de ionización de los elementos del grupo IA (sin el átomo de Hidrógeno) y del grupo IIA y de los períodos 2 y 3.
2. Observa los valores de potenciales de ionización de esta tabla en el grupo (columnas verticales). ¿Cómo cambia el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia abajo?
3. Observa los valores de los potenciales de ionización de esta tabla en el periodo (filas horizontales). ¿Cómo varía el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia la derecha?
4. Realiza un esquema de la variación en tu cuaderno.
II Variación de la afinidad electrónica
1. Averigua, mediante una investigación bibliográfica, cómo varía la afinidad electrónica dentro de un grupo y de un período de la tabla periódica.
2. Realiza un esquema de esta variación en tu cuaderno.
III Variación del radio atómico
1. Anota en la tabla siguiente los radios atómicos de los elementos del grupo IA (sin hidrógeno) y del grupo IIA y de los períodos 2 y 3.
2. Observa los valores de los radios atómicos de esta tabla según el grupo (columnas verticales). ¿Cómo cambia el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia abajo?
3. Observa los valores de los radios atómicos de esta tabla según el período (filas horizontales). ¿Cómo varía el radio a medida que aumenta el número atómico, es decir, hacia la derecha?
4. Realiza un esquema de la variación en tu cuaderno.
IV Variación del radio iónico
1. Averigua, mediante una investigación bibliográfica, cómo varia el radio iónico dentro de un grupo y de un período de la tabla periódica.
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