Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 1

TEMA 3: Los átomos y el sistema periódico

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 2

ESQUEMA DE LA UNIDAD

1.- La búsqueda de los elementos.

1.1.- Clasificación de los elementos.

2.- Sistema periódico actual.

2.1.- Símbolos y nombres de los elementos.

2.2.- Propiedades en los periodos del sistema periódico.

2.3.- Propiedades en los grupos del sistema periódico.

3.- Uniones entre átomos.

3.1.- Formación de moléculas.

3.2.- Formación de cristales.

3.3.- Fórmula química y masa molecular.

1.- LA BÚSQUEDA DE LOS ELEMENTOS

Los elementos químicos que se conocen actualmente se han ido descubriendo poco a poco a lo

largo de la historia gracias a la inquietud mostrada por el hombre de descubrir nuevas sustancias

que le permitieran mejorar sus condiciones de vida.

Así, los primeros elementos que se descubrieron fueron metales como el cobre (tal vez fuera el

primero en descubrirse), estaño o hierro, y no metales como el carbono.

Posteriormente se empezaron a hacer aleaciones, que son combinaciones de dos o más metales.

Así con la aleación entre el cobre y el estaño se consiguió bronce, que era muy

utilizado por ejemplo en la Edad del Bronce para fabricar utensilios, puntas de

flechas…, y con la aleación entre carbono y hierro se obtenía acero en la Edad del

Hierro, de mayor dureza que el hierro o el bronce.

En el año 1700 ya había descubiertos doce elementos químicos.

Descubrimiento del fósforo

El fósforo fue descubierto por el alquimista alemán Henning Brand en el año 1669 de una

curiosa manera.

Los alquimistas son personas que practican la alquimia, que es una antigua

práctica que tiene como finalidad encontrar la piedra filosofal,

que es una sustancia con propiedades mágicas que serviría para

transformar cualquier metal en oro o para obtener el elixir de la

vida, una sustancia que permitía curar todas las enfermedades y

posibilitar la vida eterna.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 3

El caso es que Brand recogió cierta cantidad de orina y la dejó reposar durante

dos semanas. Luego la calentó hasta el punto de ebullición y quitó el agua,

reduciéndolo todo a un residuo sólido blanco que brillaba en la oscuridad y

formaba una llama brillante al arder a la que se le denominó el fósforo. Desde

entonces a las sustancias que brillan en la oscuridad se las llama fosforescentes.

Así, durante un siglo el fósforo se obtenía a partir de la orina, hasta que en 1771, el químico

sueco Carl W. Scheele encontró un método para extraerlo a partir de huesos calcinados.

Primera ordenación de los elementos químicos

La primera ordenación de los elementos químicos que se conocían se hizo teniendo en cuenta

las propiedades fácilmente observables que poseían. Así se dividieron en metales (como el cobre,

el mercurio o el oro) y no metales (como el azufre, el carbono o el yodo).

Metales No metales

Las propiedades que caracterizan a estos dos tipos de elementos son las siguientes:

Metales

Poseen brillo metálico y color especial grisáceo, excepto algunos como el oro (amarillo) y el

cobre (rojizo).

Son dúctiles; es decir, se convierten fácilmente en hilos.

Son maleables; es decir, se convierten fácilmente en delgadas láminas.

Son buenos conductores de la electricidad y del calor.

Son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es líquido).

Representan el 75% de todos los elementos.

Tienden a perder electrones y formar iones positivos.

No metales

Pueden encontrarse en los tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

No poseen brillo metálico.

No son dúctiles ni maleables.

Son frágiles y quebradizos.

Suelen captar electrones formando iones negativos.

Son malos conductores del calor y la electricidad.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 4

1.1.- Clasificación de los elementos

La continua aparición de nuevos elementos invita a los científicos a plantearse nuevas maneras

de ordenarlos o clasificarlos. Algunas de las clasificaciones de los elementos químicos más

significativas que se han propuesto a lo largo de la historia han sido las siguientes:

Las triadas de Döbereiner (1829)

En 1829, el químico alemán J. W. Döbereiner observó que el bromo tenía

propiedades que estaban entre las del cloro y las del yodo, y además la masa del

bromo estaba entre la del cloro y la del yodo. Encontró resultados parecidos entre

otros grupos de tres elementos y decidió llamarlos triadas. Ejemplos de triadas:

TRIADAS

Cloro

Calcio

Azufre

Bromo

Estroncio

Selenio

Yodo

Bario

Teluro

Las octavas de Newlands (1864)

En el año 1864, el químico inglés J. A. Newlands ordenó los elementos

conocidos en columnas en orden creciente de masas atómicas. Como observó que

cada siete elementos aparecía un octavo con propiedades parecidas a las del

primero, el noveno tenía propiedades parecidas a las del segundo y así

sucesivamente, se cumplía que todos los elementos que estaban en la misma

columna tenían propiedades similares. A esta ordenación de los elementos

químicos Newland la llamó ley de las octavas.

Sin embargo pronto, conforme se iban descubriendo elementos nuevos, se iba observando que

existían demasiados elementos que no encajaban en las octavas, por lo que esta clasificación tuvo

que ser modificada.

La tabla periódica de Mendeleiev (1869)

En 1869, el químico ruso Dimitri Mendeleiev publicó su tabla periódica. En ella

colocaba los elementos en filas en orden creciente de masas atómicas, de manera

que las propiedades de los elementos también guardaban un cierto orden.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 5

Seguir este criterio a la hora de ordenar los elementos químicos le hizo predecir la existencia de

elementos químicos que no se habían descubierto aún y las propiedades que debían tener,

elementos para los que dejó un hueco en la tabla periódica para colocarlos cuando se descubrieran.

Aunque no es la tabla actual, la tabla propuesta por Mendeleiev fue la base para la elaboración

de la tabla periódica de los elementos que se utiliza hoy en día.

2.- EL SISTEMA PERIÓDICO ACTUAL

Se puede decir que la tabla periódica es una representación gráfica ordenada de los elementos

químicos. Como mínimo, junto al nombre de cada elemento aparece el símbolo con el que se

representa, su número atómico (recordar que es el número atómico de un elemento es el número de

protones que posee y que es diferente en cada elemento) y su masa atómica.

Esta tabla fue propuesta en el siglo XX por Werner y Paneth y en ella se encuentran los 118

elementos químicos conocidos y aceptados por la IUPAC (de ellos la gran mayoría son naturales y

el resto artificiales; es decir, descubiertos en los laboratorios). De esta forma se obtienen 7 filas o

periodos y 18 columnas o grupos donde se colocan los elementos en orden creciente de número

atómico, de manera que los elementos de la misma fila tienen las mismas propiedades físicas, y los

elementos que están en la misma columna poseen las mismas propiedades químicas.

En la tabla actual hay tres parejas de elementos en los que un elemento está precedido por otro

de masa atómica mayor (el teluro de masa 127,6 está situado delante del yodo cuya masa es 126,9 ;

el argón delante del potasio o el cobalto delante del níquel).

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 6

Cabe indicar como curiosidad, que en la tabla periódica hay tres elementos descubiertos por

científicos españoles: el platino, descubierto por el sevillano Antonio de Ulloa a mediados del siglo

XVIII, el wolframio descubierto en el mismo siglo a finales por los hermanos Elhúyar, y el

vanadio descubierto por Andrés Manuel del Río a comienzos del siglo XIX.

Antonio de Ulloa Hermanos Elhúyar Andrés M. del Río

En la tabla periódica actual se diferencian cuatro zonas que normalmente están coloreadas con

colores diferentes:

Una zona donde están los metales: a esta zona pertenecen dos series de 14 elementos cada

una que se sitúan fuera de la tabla (los lantánidos y los actínidos). A estos metales que quedan

fuera de la tabla periódica se les llama metales de transición interna o tierras rars.

Otra zona donde están los no metales: en esta zona se encuentra también el hidrógeno,

aunque sea un metal.

Una tercera zona donde están los semimetales: se trata de elementos que poseen

características intermedias entre los metales y los no metales.

Una última zona donde están los gases nobles o inertes: se trata de los únicos elementos

que se encuentran en la naturaleza como átomos aislados (nunca se van a combinar con otros

átomos para formar compuestos). Los gases nobles, como su nombre indica son gases a

temperatura ambiente.

Las columnas donde se encuentran los elementos químicos reciben los siguientes nombres:

Grupo 1: alcalinos. Grupo 15: nitrogenoides.

Grupo 2: alcalinotérreos. Grupo 16: anfígenos o calcógenos.

Del grupo 3 al 12: metales de transición. Grupo 17: halógenos.

Grupo 13: térreos o grupo del boro. Grupo 18: gases nobles.

Grupo 14: carbonoides.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 7

2.1.- Símbolos y nombres de los elementos

Símbolos

Los símbolos de los elementos químicos son una forma abreviada de

representar a dichos elementos.

Los primeros en representar los elementos químicos mediante

símbolos fueron los alquimistas. Estos solían usar representaciones

muy personales y complejas de los elementos, normalmente sus

representaciones estaban relacionadas con la astronomía:

En el siglo XIX, John Dalton propuso una representación de los elementos

que consistía en hacer un círculo con una serie de signos dentro:

Fue también en el siglo XIX cuando el químico sueco J. Berzelius propuso utilizar la primera o

las dos primeras letras del nombre latino del elemento como símbolo.

La primera de las letras siempre se escribe en mayúscula y en caso de tener dos

letras, la segunda en minúscula.

Lo normal es que el símbolo coincida con las letras con las que empieza el nombre del

elemento: calcio (Ca), cobalto (Co).

En algunos casos las letras del símbolo no coinciden con las letras del

nombre con el que se conocen actualmente a esos elementos químicos, porque

cuando se descubrieron se les dieron nombres latinos o griegos y se les puso el

símbolo teniendo esos nombres iniciales, nombres que han evolucionado

manteniendo sus símbolos iniciales:

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 8

Nombres

En cuanto a los nombre de los elementos estos tienen distinto origen:

Algunos de ellos recibieron nombres latinos o griegos, aunque han evolucionado y

actualmente se conocen con otros nombres (como hemos comentado anteriormente). Ejemplos:

sodio (natrium), oro (aurum), azufre (sulphur).

Otros nombres recuerdan a su descubridor o a científicos en general. Ejemplos: Mendelevio

(Dimitri Mendeleiev), Curio (matrimonio Curie), Rutherforio (Ernest Rutherford).

En otros casos el nombre de algunos elementos hacen referencia al país donde se

descubrieron. Ejemplos: Germanio (Alemania), Francio (Francia), Polonio (Po).

También hay nombres de elementos que recuerdan a ciertos astros. Ejemplos: teluro (del

latín Tellus, la Tierra), plutonio (Plutón), uranio (Urano), helio (del griego Helios, el Sol).

Actualmente hay algunos elementos en la tabla periódica cuyo símbolo tiene tres letras. Se trata

de elementos descubiertos recientemente que reciben nombres sistemáticos que indican en latín su

número atómico hasta que se les busque un nombre definitivo.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 9

2.2.- Propiedades en los periodos del sistema periódico

Como ya se ha comentado, los elementos que se encuentran en la misma fila o periodo poseen

las mismas propiedades físicas. Esto se debe a que estos elementos tienen el mismo número de

capas o niveles de energía (que además coincide con el número de la fila que ocupa).

Sin embargo también hay propiedades que varían dentro de un mismo periodo. Estas

propiedades son el carácter metálico y la reactividad (que es la capacidad que tiene un elemento

para combinarse con otros elementos con el fin de alcanzar la estabilidad). Así:

El carácter metálico disminuye al avanzar hacia la derecha en una misma fila o periodo.

Así por ejemplo, si nos fijamos en la segunda fila o periodo nos encontramos de izquierda a

derecha el litio y el berilio, que son metales, el boro, que es un semimetal , y el carbono, nitrógeno,

oxígeno y flúor que son no metales.

La reactividad disminuye conforme avanzamos de izquierda a derecha hasta llegar al grupo

o columna 16, donde la reactividad vuelve a aumentar hasta llegar a los gases nobles, que como

sabemos no son reactivos.

2.3.- Propiedades en los grupos del sistema periódico

Como ya se ha comentado, los elementos que se encuentran en la misma columna o grupo

poseen las mismas propiedades químicas. Esto se debe a que estos elementos tienen el mismo

número de electrones en la última capa o nivel de energía.

Sin embargo al igual que sucede en las filas, también el carácter metálico, la reactividad y el

radio atómico varían dentro de un mismo grupo o columna. Así:

El carácter metálico aumenta cuanto más abajo se encuentre el metal en el grupo.

En general todos los alcalinos reaccionan de manera violenta con el agua, y los

alcalinotérreos lo hacen de forma algo más suave. En ambos casos la reactividad es más violenta

con los elementos que se encuentran más abajo dentro de la misma columna.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 10

El radio atómico es la distancia que hay entre el núcleo de un átomo y el nivel de energía o

capa más externa. El radio atómico es mayor cuanto más abajo se encuentra el metal en el grupo

(ya que al pasar de un grupo al siguiente aumenta el número de capas).

3.- UNIONES ENTRE ÁTOMOS

El átomo de un elemento se dice que es estable cuando tiene completo su último nivel o capa de

energía o cuando tiene ocho electrones en dicha capa.

Los únicos elementos estables que existen en la naturaleza son los gases nobles, todos tienen

ocho electrones en su última capa menos el helio, que con dos electrones la tiene completa. Al ser

estables, los gases nobles nunca los vamos a encontrar asociados a otros elementos; es decir, los

gases nobles no son reactivos.

Los átomos que no son estables se unen con otros átomos para alcanzar su estabilidad, y

siempre lo hacen de manera que consigan tener en su última capa el mismo número de electrones

que tenga el gas noble más cercano en la tabla periódica. En cualquier caso siempre intentarán

tener ocho electrones en su última capa. En este sentido hay una regla conocida como la regla del

octeto que establece que los átomos se unen para adquirir ocho electrones en su última capa.

Los elementos pueden conseguir la configuración electrónica del gas noble

más cercano de dos formas: compartiendo electrones con otros elementos, o bien

cediendo o ganando electrones (es decir, formando iones). En general a los

metales les sobran electrones mientras que a los no metales les faltan, por lo que

los metales tienden a perder electrones y los no metales a ganarlos.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 11

La compartición de electrones se produce cuando a los átomos que se

unen les falta un número pequeño de electrones para adquirir la estructura

de gas noble, y ninguno quiere perder los que tiene. La solución es que

ambos átomos compartan los electrones. Esa situación se suele producir

entre elementos no metálicos.

Los compuestos que se forman cuando los elementos se unen para compartir electrones pueden

tener dos tipos de estructuras: moléculas y cristales.

3.1.- Formación de moléculas

Las moléculas son uniones de átomos del mismo o diferentes elementos químicos. Cuando los

átomos que se unen son del mismo elemento, a las moléculas que se forman se les llama sustancias

simples. Si por el contrario las moléculas están formadas por la unión de átomos de diferentes

elementos, se les denominan compuestos químicos.

Ejemplo: los átomos de hidrógeno tienen un único electrón en su única

capa de energía, por lo que estando aislados son inestables, y para adquirir

la configuración del gas noble que tiene más cerca en la tabla periódica,

que es el helio (He), comparte ese único electrón que tiene con otro átomo

de hidrógeno igual dando lugar al H2.

De la misma manera se formará la molécula de flúor (F2).

Ejemplo: otra forma de alcanzar la estabilidad el átomo de hidrógeno es buscando otro elemento

al que le falte también un electrón para alcanzar la configuración del gas noble más cercano en la

tabla periódica. En esa situación está por ejemplo el flúor (que tiene siete electrones en su última

capa, le falta por tanto uno para ser estable). Al unirse para compartir cada átomo un electrón se

forma la molécula HF.

De la misma manera se formará la molécula de agua (H2O).

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 12

Las sustancias moleculares tienen las siguientes propiedades:

Muchas son gases a temperatura ambiente, como las moléculas de hidrógeno (H2), oxígeno

(O2), nitrógeno (N2), cloro (Cl2) o dióxido de carbono (CO2); otras son líquidas como las

moléculas de bromo (Br2) o de agua (H20); y otras son sólidas, como la molécula de yodo

(I2).

Tienen puntos de fusión y ebullición bajos.

No conducen la electricidad o lo hacen con dificultad.

3.2.- Formación de cristales

Los cristales también son uniones de átomos, pero a diferencia de las moléculas

los átomos que los forman se colocan de manera muy ordenada formando como

redes y adquiriendo formas geométricas.

Ejemplos: el hielo (que no es más que agua congelada), el diamante (que es carbono

cristalizado).

Cuando las sustancias moleculares se encuentran a una temperatura inferior a su punto de fusión

se congelan y forman cristales llamados cristales moleculares (es lo que sucede con el agua cuando

se congela). El hielo es por tanto un cristal molecular.

En el caso del diamante se trata de otro tipo de cristal que es sólido a

temperatura ambiente, y para fundirse necesitan temperaturas muy elevadas

(en el caso del diamante necesita 3550 ºC para fundirse). Un átomo de

carbono tiene cuatro electrones en su última capa, por lo tanto le faltan otros

cuatro electrones para completarla, y para hacerlo puede unirse a otros cuatro

átomos de carbono para que compartan cada uno de ellos un electrón con él.

A su vez, cada uno de esos cuatro átomos de carbono necesitará otros tres para alcanzar su

estabilidad, y así sucesivamente. La unión de todos esos átomos de carbono formarán un cristal: el

diamante.

De la misma manera que se forma el diamante, el carbono puede formar otro tipo de cristales

como por ejemplo el grafito (con propiedades diferentes a las del diamante). Aunque la

composición atómica del grafito y el diamante es la misma, puesto que ambos están formados

únicamente por carbono, sus propiedades indican que se trata de sustancias distintas.

Los cristales son siempre sólidos.

Tema 3: Los átomos y el sistema periódico 13

3.3.- Fórmula química y masa molecular

Excepto los gases nobles, el resto de los átomos, como acabamos de ver, se combinan formando

moléculas o cristales. Estas asociaciones de átomos se representan mediante fórmulas. Dicho de

otra manera, una fórmula química es una representación de una sustancia y tiene esta forma:

AnBm, donde n y m indican el número de átomos de los elementos A y B que forman la molécula o

la proporción en la que se encuentran en un cristal.

La masa molecular de una sustancia es la suma de las masas atómicas de los átomos que la

forman. Para calcularla hay que conocer la fórmula química de la sustancia y las masas atómicas

de los átomos que la forman.

Ejemplo: calcula la masa molecular del agua.

Datos: Masas atómicas H = 1, O = 16

Masa molecular H2O = 16211621 18

FIN DEL TEMA