La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico, por su configuración de electrones y sus propiedades químicas. Es una herramienta fundamental en el estudio de la química, que representa la organización de los elementos químicos según sus propiedades, permitiendo a los científicos y estudiantes comprender mejor las características y relaciones de estos elementos.
Este sistema de organización permite observar patrones y tendencias en las propiedades de los elementos, como su reactividad, estado físico a temperatura ambiente y configuración electrónica. La tabla periódica es una herramienta clave en la enseñanza y la práctica de la química, ya que facilita la identificación de tendencias y patrones. Permite predecir las propiedades de los elementos y comprender mejor su comportamiento en diferentes situaciones. En resumen, la tabla periódica no es solo una lista de elementos, es un sistema que organiza el conocimiento químico de una manera comprensible y práctica.
¿Qué es un Elemento Químico?
Un elemento químico es una sustancia cuyas propiedades lo hacen ser diferente del resto. El científico irlandés, Robert Boyle (1627-1691), en su libro El químico escéptico, acuñó este término por primera vez, definiéndolo como “sustancias químicas que no se pueden separar en diferentes componentes por ningún medio”. En definitiva, un elemento químico es un conjunto de átomos con el mismo número de protones en su núcleo. Además, son sustancias que no pueden ser descompuestas en otras más simples por medios físicos ni químicos.
Se trata de la proporción más pequeña en la que podría dividirse un elemento sin necesidad de perder sus propiedades o, dicho de otra manera, el número de protones que se encuentran en el núcleo del átomo. El término periódico significa que los elementos presentan patrones regulares en la variación de sus propiedades tanto físicas como químicas. El número atómico del elemento define la mayoría de sus propiedades físicas y químicas.
Historia y Evolución de la Tabla Periódica
A lo largo de la historia, desde la antigüedad, se trató de buscar la manera de representar los elementos que iban siendo descubiertos, convirtiéndose en una aventura científica que acaparó horas de estudio de grandes pensadores. Aunque algunos elementos como el oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu), plomo (Pb) y mercurio (Hg) ya eran conocidos desde la antigüedad, el primer descubrimiento científico de un elemento ocurrió en el siglo XVII d. C., cuando el alquimista Hennig Brand descubrió el fósforo (P).
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En el siglo XVIII d. C. se conocieron numerosos nuevos elementos, los más importantes de los cuales fueron los gases, con el desarrollo de la química neumática: oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). También se consolidó en esos años la nueva concepción de elemento, que condujo a Antoine Lavoisier a escribir su famosa lista de sustancias simples, donde aparecían 33 elementos. Sus primeras manifestaciones sitúan a Antoine Lavoisier como precursor de la primera agrupación en cuatro clases de elementos: gases, metales, no metales y tierras.
A principios del siglo XIX d. C., la aplicación de la pila eléctrica al estudio de fenómenos químicos condujo al descubrimiento de nuevos elementos, como los metales alcalinos y alcalino-térreos, sobre todo gracias a los trabajos de Humphry Davy. En 1830 ya se conocían 55 elementos. Posteriormente, a mediados del siglo XIX d. C., con la invención del espectroscopio, se descubrieron nuevos elementos, muchos de ellos nombrados por el color de sus líneas espectrales características: cesio (Cs, del latín caesĭus, azul), talio (Tl, de tallo, por su color verde), rubidio (Rb, rojo), etc.
Un requisito previo necesario a la construcción de la tabla periódica era el descubrimiento de un número suficiente de elementos individuales, que hiciera posible encontrar alguna pauta en comportamiento químico y sus propiedades. La palabra «elemento» procede de la ciencia griega, pero su noción moderna apareció a lo largo del siglo XVII d. C. Algunos autores citan como precedente la frase de Robert Boyle en su famosa obra El químico escéptico, donde denomina elementos «ciertos cuerpos primitivos y simples que no están formados por otros cuerpos, ni unos de otros, y que son los ingredientes de que se componen inmediatamente y en que se resuelven en último término todos los cuerpos perfectamente mixtos».
A principios del siglo XIX d. C., John Dalton (1766-1844) desarrolló una concepción nueva del atomismo, a la que llegó gracias a sus estudios meteorológicos y de los gases de la atmósfera. Los químicos pasaron el siglo siguiente buscando un esquema de clasificación más preciso. Uno de los primeros intentos para agrupar los elementos de propiedades análogas y relacionarlos con los pesos atómicos se debe al químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849) quien en 1817 puso de manifiesto el notable parecido que existía entre las propiedades de ciertos grupos de tres elementos, con una variación gradual del primero al último. A estos grupos de tres elementos se los denominó tríadas.
En 1862 de Chancourtois, geólogo francés, publicó una primera forma de tabla periódica que llamó la «hélice telúrica» o «tornillo». Fue la primera persona en notar la periodicidad de los elementos. Al disponerlos en espiral sobre un cilindro por orden creciente de peso atómico, de Chancourtois mostró que los elementos con propiedades similares parecían ocurrir a intervalos regulares.
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En 1864 Julius Lothar Meyer, un químico alemán, publicó una tabla con 44 elementos dispuestos por valencia. Al mismo tiempo, William Odling -un químico inglés- publicó un arreglo de 57 elementos ordenados en función de sus pesos atómicos. El químico inglés John Newlands produjo una serie de documentos de 1863 a 1866 y señaló que cuando los elementos se enumeran en orden de aumentar el peso atómico, las propiedades físicas y químicas similares se repiten a intervalos de ocho. Esta llamada «ley de las octavas» fue ridiculizada por los contemporáneos de Newlands.
La Contribución de Dmitri Mendeléiev
En 1869, Dmitri Mendeleiév presentó su primera versión de la tabla periódica compuesta por 63 elementos iniciales, convirtiéndose en una de las herramientas más poderosas de la ciencia. La tabla periódica nació como método de agrupación de los diferentes elementos que se encontraban en la naturaleza. Dmitri Mendeléiev irrumpió en el debate científico que trataba de encontrar la manera de denominar los elementos y cómo organizarlos. Por lo tanto, en 1869, Mendeléiev publicó la primera tabla periódica de los elementos, que fue mundialmente reconocida.
Mendeléiev publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida, la desarrolló para ilustrar tendencias periódicas en las propiedades de los elementos entonces conocidos, al ordenar los elementos basándose en sus propiedades químicas. Mendeléyev también pronosticó algunas propiedades de elementos entonces desconocidos que anticipó que ocuparían los lugares vacíos en su tabla. Su reconocimiento histórico en la construcción de la tabla periódica en 1869 fue la respuesta a la búsqueda que se estaba llevando a cabo desde finales del siglo XVII. Mendeléiev estaba muy seguro de su clasificación, tanto fue así, que llegó a enviar cerca de 200 copias de su tabla a científicos de la época.
Con el paso de los años, nuevos elementos fueron siendo descubiertos cuyas propiedades coincidían con alta exactitud con las predicciones que el científico ya había formulado con años de antelación. De todas estas distintas tablas que organizaban los elementos, la de Mendeléiev fue la más rompedora, pues hacía predicciones y dejaba huecos libres para elementos que se descubrirían más tarde, como el galio (1875), el germanio (1887) o el tecnecio (1937).
Las tablas periódicas de Mendeléyev utilizan el peso atómico en lugar del número atómico para organizar los elementos, información determinable con precisión en ese tiempo. El peso atómico funcionó bastante bien para la mayoría de los casos permitiendo predecir las propiedades de los elementos que faltan con mayor precisión que cualquier otro método conocido entonces. En 1871, Mendeléyev publicó su tabla periódica en una nueva forma, con grupos de elementos similares dispuestos en columnas en lugar de filas, numeradas I a VIII en correlación con el estado de oxidación del elemento.
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2019 fue establecido como el Año Internacional de la Tabla Periódica por la Asamblea General de las Naciones Unidas debido a que se celebró el 150º aniversario de la primera publicación de la tabla periódica por el científico ruso Dmitri Mendeléiev.
Desarrollos Posteriores y la Tabla Periódica Actual
La tabla periódica de Mendeléyev presentaba ciertas irregularidades y problemas. La tabla periódica de Mendeléyev ha sido desde entonces ampliada y mejorada con la síntesis o el descubrimiento de elementos químicos nuevos y el desarrollo de modelos teóricos nuevos para explicar el comportamiento químico. Durante algún tiempo, esta cuestión no pudo resolverse satisfactoriamente hasta que Henry Moseley (1867-1919) realizó un estudio sobre los espectros de rayos X en 1913. Moseley comprobó que al representar la raíz cuadrada de la frecuencia de la radiación en función del número de orden en el sistema periódico se obtenía una recta, lo cual permitía pensar que este orden no era casual, sino reflejo de alguna propiedad de la estructura atómica. Moseley predijo que los únicos elementos que faltaban entre aluminio (Z = 13) y oro (Z = 79) eran Z = 43, 61, 72 y 75, que fueron descubiertos más tarde.
La explicación que se acepta actualmente de la ley periódica surgió tras los desarrollos teóricos producidos en el primer tercio del siglo XX, cuando se construyó la teoría de la mecánica cuántica. La estructura actual fue diseñada por Alfred Werner a partir de la versión de Mendeléyev. En 1945 Glenn Seaborg, un científico estadounidense, sugirió que los actínidos, como los lantánidos, estaban llenando un subnivel f en vez de una cuarta fila en el bloque d, como se pensaba hasta el momento. Posteriormente se encontró que estaba en lo cierto y en 1951 ganó el Premio Nobel de Química por su trabajo en la síntesis de los actínidos.
El papel de la mujer en el desarrollo de la tabla periódica fue muy relevante, entre algunas de las figuras femeninas que ocuparon un papel fundamental se encuentra Marie Curie. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) reconoció el trabajo de esta científica polaca y su marido en el descubrimiento del Curio, además del Polonio y el Radio. Otra mujer a citar en este sentido fue Lise Meitner, reconocida por hallar y dar nombre al Meitnerio o Idda Noddak, responsable de que el Renio ocupe un lugar en la tabla actual.
Actualmente la tabla periódica actual cuenta con 118 elementos (94 de los cuales se dan de manera natural en la Tierra). Se han descubierto o sintetizado todos los elementos de número atómico del 1 (hidrógeno) al 118 (oganesón). La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) confirmó los elementos 113, 115, 117 y 118 el 30 de diciembre de 2015, y sus nombres y símbolos oficiales se hicieron públicos el 28 de noviembre de 2016. Los primeros 94 existen naturalmente, aunque algunos solo se han encontrado en cantidades pequeñas y fueron sintetizados en laboratorio antes de ser encontrados en la naturaleza. Los elementos con números atómicos del 95 al 118 solo han sido sintetizados en laboratorios.
El número de elementos no siempre ha sido el mismo, los avances científicos han permitido el descubrimiento de nuevas incorporaciones. A pesar del avanzado estado en el que se encuentra la ciencia en la actualidad, no se descarta que, en un futuro, la lista se amplíe con dos nuevas incorporaciones: 119 y 120, tarea de la que ya se están encargando laboratorios de todo el mundo, entre los que destacan países como Estados Unidos y China.
Estructura y Organización de la Tabla Periódica
La tabla periódica divide sus elementos en filas y columnas. Los elementos hasta hoy conocidos están ordenados en orden creciente de sus números atómicos, en siete filas (líneas horizontales) llamadas periodos y dieciocho columnas (líneas verticales) llamadas grupos o familias.
Períodos
Las filas horizontales a lo largo de la tabla periódica se denominan períodos. Son las siete filas de la tabla. En cada período, los números atómicos de los elementos aumentan de izquierda a derecha.
Grupos
Las dieciocho columnas verticales se denominan grupos y están compuestos por elementos con propiedades químicas parecidas. La explicación moderna del ordenamiento en la tabla periódica es que los elementos de un grupo poseen configuraciones electrónicas similares y la misma valencia, entendida como el número de electrones en la última capa. Los elementos de un mismo grupo tienden a mostrar patrones en el radio atómico, energía de ionización y electronegatividad.
Nomenclatura de Grupos
Algunos de estos grupos tienen nombres triviales -no sistemáticos-, como se ve en la tabla de abajo, aunque no siempre se utilizan.
| Grupo | Nombre |
|---|---|
| Grupo 1 | Metales alcalinos |
| Grupo 2 | Metales alcalinotérreos |
| Grupo 3 | Familia del escandio (tierras raras y actínidos) |
| Grupo 4 | Familia del titanio |
| Grupo 5 | Familia del vanadio |
| Grupo 6 | Familia del cromo |
| Grupo 7 | Familia del manganeso |
| Grupo 8 | Familia del hierro |
| Grupo 9 | Familia del cobalto |
| Grupo 10 | Familia del níquel |
| Grupo 11 | Familia del cobre |
| Grupo 12 | Familia del zinc |
| Grupo 13 | Térreos |
| Grupo 14 | Carbonoideos |
| Grupo 15 | Nitrogenoideos |
| Grupo 16 | Calcógenos o anfígenos |
| Grupo 17 | Halógenos |
| Grupo 18 | Gases nobles |
Características de Grupos Específicos
- Metales Alcalinos (Grupo 1): Se encuentran en el primer grupo de la tabla periódica. Por su gran actividad química no se encuentran libres en la naturaleza, con excepción del hidrógeno. Son todos blancos, brillantes, muy activos y se les encuentra combinados en forma de compuestos. Estos metales ceden con facilidad el único electrón que se encuentra en su capa externa (son monovalentes) para formar enlace iónico con otros elementos, lo que explica su carácter electropositivo.
- Metales Alcalinotérreos (Grupo 2): Se encuentran en el segundo grupo de la tabla periódica. Todos tienen dos electrones en su última capa, lo que los hace muy reactivos. Se les encuentra formando compuestos iónicos, excepto los compuestos del berilio que presentan un importante porcentaje de enlace covalente, porque no se encuentran libres en la naturaleza. Se les llama alcalinotérreos por el aspecto térreo de sus óxidos. Por su gran actividad química no se encuentran en estado natural.
- Metales de Transición (Grupos 3-12): Se localizan entre los grupos o familias 3 y 12. Se caracterizan porque sus electrones proceden de más de una capa o nivel de energía y porque presentan propiedades características de los metales.
- Halógenos (Grupo 17): Son elementos que presentan una gran reactividad porque en su último nivel de energía tienen siete electrones y para alcanzar la estabilidad electrónica de gas noble tienden a ganar un electrón y así formar compuestos iónicos, su estado de oxidación es -1.
- Gases Nobles o Inertes (Grupo 18): Se caracterizan por su inactividad química, ya que tienen completos sus electrones en la última capa (tienen ocho electrones en su último nivel), excepto el helio (He), que en su última capa tiene dos electrones. Por tanto, no tienen tendencia ni a perder ni a ganar electrones, por lo que prácticamente se les conoce como inertes.
Conceptos Clave en la Tabla Periódica
Número Atómico
El número atómico es una herramienta relevante en esta clasificación ya que la tabla se ordena según sus números atómicos, por orden creciente. Son números exclusivos, ningún elemento natural lo comparte con otro. La tabla periódica de los elementos está organizada de menor a mayor según su número atómico, es decir, el número total de protones que tiene cada átomo de ese elemento.
Peso Atómico y Masa Atómica
Debajo del símbolo del elemento se indica el peso atómico, que es el peso promedio de los protones y neutrones en un átomo. El primer paso fue establecer el concepto de peso atómico-masa atómica de un elemento, lo que logró el químico italiano Stanislao Cannizzaro.
Valencia
Una vez que se conoce la cantidad de electrones de un elemento químico, se puede calcular su valencia. Esta es la capacidad de un átomo o de un grupo de átomos de formar enlaces químicos con otros átomos. La valencia de los elementos es un término muy habitual en la química y hace referencia al número de electrones que necesita o puede ceder un determinado elemento para completar su último nivel de energía, algo necesario para lograr la formación de enlaces químicos.
Clasificación General
Además, los elementos se clasifican en metales, no metales y metaloides según sus propiedades físicas y químicas. La mayoría de los elementos de la tabla periódica se consideran metales. Los no metales tienen propiedades opuestas a los metales: son quebradizos, no flexibles y no son buenos conductores de calor ni electricidad. Los metaloides, o semimetales, se consideran una cruza entre metales y no metales.
Símbolos Químicos
El nombre de los elementos químicos se representa con símbolos formados por la combinación de una o más letras (hasta una tercera). La primera letra del símbolo químico se escribe en mayúsculas y las demás en minúscula.