Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12
20La tabla periódica: un primer vistazo
En la pared de casi todas las aulas de química cuelga el mismo cuadro: 118 casillas, cada una con un símbolo y un número, ordenadas en filas y columnas con una forma extraña: torres altas a los lados, un hueco en el centro y dos filas sueltas debajo. Cuando se dibujó por primera vez, en 1869, tenía unas sesenta casillas y varias vacías. Su autor se atrevió a describir los elementos que algún día llenarían los huecos, y acertó.
Lo que ya sabes
Un elemento químico es el conjunto de los átomos con el mismo número atómico , el número de protones del núcleo (Capítulo 16). Cada elemento tiene un símbolo, una letra mayúscula a veces seguida de una minúscula (Capítulo 11). Los metales como el hierro, el cinc y el aluminio dan iones positivos (Capítulo 17).
20.1 Una tabla de los elementos
Definición 20.1 (Tabla periódica)
La tabla periódica enumera todos los elementos químicos por orden creciente de número atómico, de a , dispuestos en filas de modo que los elementos de propiedades parecidas quedan en la misma columna.
Definición 20.2 (Periodo y grupo)
Una fila de la tabla periódica es un periodo; hay siete. Una columna es un grupo; hay dieciocho, numerados del 1 al 18 de izquierda a derecha. Las dos filas impresas debajo de la tabla pertenecen a los periodos 6 y 7; se colocan aparte solo para que la tabla no sea demasiado ancha.
Método 20.3 (Leer la tabla periódica)
Para situar un elemento:
- se busca su casilla a partir de su símbolo o de su número atómico;
- su fila da su periodo, y su columna, su grupo;
- su color indica si es un metal o un no metal.
El sodio, , : periodo 3, grupo 1, un metal. El cloro, , : periodo 3, grupo 17, un no metal.
20.2 Metales y no metales
Definición 20.4 (Metal y no metal)
Un metal es un elemento que, como sustancia pura, brilla cuando está recién cortado, conduce bien la electricidad y el calor, se puede doblar o moldear a martillazos, y forma iones positivos. Un no metal carece de estas propiedades: muchos son gases (el oxígeno, el nitrógeno, el cloro), los que son sólidos son mates y quebradizos (el azufre, el carbono en forma de carbón), y tienden a formar iones negativos o a compartir electrones en moléculas.
Proposición 20.5 (Dónde se sitúan)
Alrededor de cuatro de cada cinco elementos son metales; ocupan la izquierda y el centro de la tabla. Los no metales están arriba a la derecha, con el hidrógeno solo arriba a la izquierda. A lo largo de la frontera entre unos y otros, unos pocos elementos (el boro, el silicio, el germanio, el arsénico, el antimonio y el teluro) tienen propiedades intermedias: son los metaloides.
20.3 Columnas que se comportan igual
Proposición 20.6 (Los elementos de un grupo se comportan igual)
Los elementos de un mismo grupo reaccionan de maneras parecidas y forman compuestos parecidos. El litio, el sodio y el potasio, arriba del grupo 1, son metales blandos que reaccionan con el agua desprendiendo hidrógeno; la reacción es más violenta cuanto más abajo en el grupo. El flúor, el cloro, el bromo y el yodo, del grupo 17, son no metales de color que reaccionan con los metales formando sales. El helio, el neón, el argón y los demás elementos del grupo 18 casi no reaccionan con nada.
En el laboratorio — Litio, sodio y potasio en agua
Detrás de una pantalla de protección, el profesor echa un trocito de litio del tamaño de un grano de arroz en un barreño grande de agua: burbujea suavemente. Un trozo de sodio del mismo tamaño corre por la superficie, fundiéndose en una bolita plateada. El potasio arde enseguida con una llama lila. Los tres desprenden hidrógeno y dejan una disolución básica.
Seguridad
Sodio: en contacto con el agua desprende gases inflamables que pueden inflamarse espontáneamente (GHS02); provoca quemaduras graves (GHS05). Se guarda bajo aceite y solo lo manipula el profesor, con pinzas y en trozos diminutos.
20.4 La idea de Mendeléiev
Historia — Los huecos de Mendeléiev, 1869–1886
En 1869, Dmitri Mendeléiev ordenó los elementos conocidos entonces por orden creciente de peso atómico (la masa de sus átomos comparada con la del hidrógeno) y colocó juntos los que tenían propiedades parecidas. Donde el patrón lo exigía, dejó huecos para elementos que nadie había encontrado aún, y en 1871 describió sus propiedades: debajo del silicio, un “eka-silicio” cuyo peso atómico sería de alrededor de 72. En 1886, el químico Clemens Winkler descubrió el germanio en un mineral de plata, midió su peso atómico, 72.3, y vio que era el elemento que faltaba. El galio (1875) y el escandio (1879) llenaron también huecos que había dejado Mendeléiev.
Observación 20.7 (Ordenar por número atómico)
Mendeléiev ordenó los elementos por peso atómico, y tuvo que intercambiar algunas parejas, como el teluro y el yodo, para mantener juntas las familias. Hoy la tabla se ordena por número atómico, descubierto más tarde, y esos intercambios ya no hacen falta.
20.5 Ejercicios
Ejercicio 20.1 ★
¿En qué orden se colocan los elementos en la tabla periódica?
Ejercicio 20.2 ★
Da el periodo y el grupo del carbono (), el magnesio () y el argón ().
Ejercicio 20.3 ★
¿Metal o no metal: el hierro, el azufre, el cobre, el oxígeno, el aluminio, el cloro?
Solución
Solución de Ejercicio 20.3.
Metales: el hierro, el cobre, el aluminio. No metales: el azufre, el oxígeno, el cloro.
Ejercicio 20.4 ★
¿Qué elemento está justo debajo del sodio en la tabla? ¿Y justo debajo del cloro?
Solución
Solución de Ejercicio 20.4.
El potasio () debajo del sodio; el bromo () debajo del cloro.
Ejercicio 20.5 ★★
Con la tabla, nombra el elemento del periodo 4 y grupo 2, y el elemento del periodo 2 y grupo 15.
Solución
Solución de Ejercicio 20.5.
El calcio (, ) y el nitrógeno (, ).
Ejercicio 20.6 ★★
¿Por qué cabe esperar que el potasio reaccione con el agua, como el sodio?
Solución
Solución de Ejercicio 20.6.
Está en el mismo grupo que el sodio, el grupo 1, y los elementos de un grupo se comportan igual.
Ejercicio 20.7 ★★
Un elemento brillante conduce la electricidad y forma el ion . ¿Es un metal o un no metal? Explícalo.
Ejercicio 20.8 ★★
¿Por qué dejó Mendeléiev huecos en su tabla? ¿Por qué era esto un punto fuerte de su tabla y no una debilidad?
Solución
Solución de Ejercicio 20.8.
Para mantener en la misma columna los elementos de propiedades parecidas, aunque eso obligara a dejar una casilla vacía. Los huecos eran predicciones: los elementos que faltaban se encontraron después con las propiedades que él había descrito.
Ejercicio 20.9 ★★
Mira la tabla de Mendeléiev de 1869. ¿Qué pesos atómicos daba para el carbono y para el oxígeno? ¿Qué dos huecos, marcados con un signo de interrogación, aparecen junto al aluminio y al silicio?
Solución
Solución de Ejercicio 20.9.
Carbono: ; oxígeno: . Los huecos “? ” (junto a Al ) y “? ” (junto a Si ).
Ejercicio 20.10 ★★
Ejercicio 20.11 ★★★
El helio, el neón y el argón casi no reaccionan con nada. ¿En qué grupo están? ¿Para qué podrían usarse, dada esta propiedad?
Ejercicio 20.12 ★★★
El galio, debajo del aluminio, se descubrió en 1875. Mendeléiev le había predicho un peso atómico cercano a la media de sus vecinos, el aluminio (27.0) y el indio (114.8). Calcula esa media. (Galio: 69.7.)
Solución
Solución de Ejercicio 20.12.
, cerca de 69.7.
20.6 Problema: El hueco de Mendeléiev
Problema 20.1
Problema de fin de semana — predecir el peso atómico de un elemento que falta a partir de sus cuatro vecinos
En 1871, Mendeléiev predijo las propiedades del eka-silicio, el elemento que faltaba debajo del silicio. Una de sus ideas era que las propiedades de un elemento se sitúan entre las de sus vecinos de arriba y de abajo, de la izquierda y de la derecha. Los pesos atómicos actuales de los cuatro vecinos del hueco son: silicio 28.1 (arriba), estaño 118.7 (abajo), galio 69.7 (izquierda), arsénico 74.9 (derecha).
Parte I — El hueco.
- Con la tabla periódica de este capítulo, halla el número atómico, el periodo y el grupo del germanio, el elemento que llena el hueco.
- ¿Qué elemento está encima de él, cuál debajo, cuál a su izquierda y cuál a su derecha?
- ¿El germanio es un metal, un no metal o un metaloide?
- ¿Por qué esperaba Mendeléiev que el elemento que faltaba se pareciera al silicio?
Parte II — Medias.
- Calcula la media de los pesos atómicos de los elementos de encima y de debajo del hueco.
- Calcula la media de los pesos atómicos de los elementos de la izquierda y de la derecha.
- ¿Cuál de las dos medias se acerca más al peso atómico real del germanio, 72.6? ¿A qué podría deberse?
- En su tabla de 1869, Mendeléiev había escrito “? ” para este hueco. ¿Por cuánto se equivocó?
Parte III — La predicción.
- Calcula la media de los cuatro vecinos, con un decimal.
- En 1871, Mendeléiev predijo 72; en 1886, Winkler midió 72.3. Compáralo con tu media.
- ¿Por qué el descubrimiento del germanio convenció a muchos químicos de que la tabla de Mendeléiev era correcta?
- Enuncia tu predicción: el peso atómico del eka-silicio a partir de la media de sus cuatro vecinos.
Solución
Solución de Problema 20.1.
2. Encima: el silicio. Debajo: el estaño. A la izquierda: el galio. A la derecha: el arsénico.
3. Un metaloide.
4. Está en el mismo grupo que el silicio, y los elementos de un grupo se comportan igual.
5. .
6. .
7. La media izquierda–derecha (72.3): a lo largo de un periodo el peso atómico crece de forma regular, elemento a elemento, mientras que al bajar por un grupo da grandes saltos.
8. .
9. , es decir, 72.9.
10. La media, 72.9, está cerca tanto del 72 de Mendeléiev como del 72.3 de Winkler (y del 72.6 actual).
11. Un elemento predicho antes de que nadie lo hubiera visto se encontró con las propiedades anunciadas: la tabla no era solo una lista, podía hacer predicciones.
12. Alrededor de 72.9.