Las tendencias periódicas explicadas
La tabla periódica organiza los elementos de modo que los patrones recurrentes (periódicos) se alinean en columnas y filas. Estas son las tendencias que se espera que conozca todo estudiante de química — y cada una se deduce directamente de la estructura electrónica.
Radio atómico
r: → decreases · ↓ increases
El radio atómico disminuye a lo largo de un período de izquierda a derecha, porque cada protón añadido aumenta la carga nuclear que atrae a los electrones, que están todos en la misma capa. Aumenta hacia abajo por un grupo, porque cada nuevo período añade una capa electrónica completamente nueva y más grande. El cesio y el francio están entre los átomos más grandes; el helio es el más pequeño.
Electronegatividad
χ: → increases · ↓ decreases (max: F = 3.98)
La electronegatividad — la atracción de un átomo sobre los electrones de enlace compartidos — aumenta a lo largo de un período y disminuye hacia abajo por un grupo, reflejando de forma inversa el radio atómico. El flúor es el elemento más electronegativo (3,98 en la escala de Pauling); los metales alcalinos de la parte inferior izquierda son los menos electronegativos. Las grandes diferencias de electronegatividad entre dos átomos enlazados producen enlaces iónicos; las diferencias pequeñas dan enlaces covalentes.
Energía de ionización
IE₁: → increases · ↓ decreases
La primera energía de ionización es la energía necesaria para arrancar el electrón más externo. Aumenta a lo largo de un período (los electrones se retienen con más fuerza por la creciente carga nuclear) y disminuye hacia abajo por un grupo (los electrones externos están más lejos del núcleo y apantallados por las capas internas). Los gases nobles se sitúan en los máximos; los metales alcalinos en los mínimos, por lo que los metales alcalinos pierden un electrón con gran facilidad para formar iones +1.
Afinidad electrónica
EA: highest at the halogens
La afinidad electrónica es la energía liberada cuando un átomo gana un electrón. Los halógenos tienen los valores más altos — el cloro encabeza la lista — porque añadir un electrón completa su capa externa. Los gases nobles tienen una afinidad prácticamente nula: sus capas ya están llenas, así que un electrón adicional tendría que iniciar una nueva capa de alta energía.
Carácter metálico
metallic character: → decreases · ↓ increases
El carácter metálico — la tendencia a perder electrones y formar iones positivos — aumenta hacia abajo por un grupo y disminuye a lo largo de un período, lo contrario que la electronegatividad. Los elementos más metálicos se sitúan en la parte inferior izquierda; los más no metálicos en la parte superior derecha. Los metaloides (boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, telurio) forman una escalera diagonal que marca la difusa frontera entre metales y no metales.
Bloques s, p, d y f
s=2 · p=6 · d=10 · f=14 electrons
La tabla se divide en bloques según qué subcapa se esté llenando. El bloque s de 2 columnas de ancho y el bloque p de 6 columnas de ancho forman los elementos de los grupos principales; el bloque d de 10 columnas de ancho alberga los metales de transición; y el bloque f de 14 columnas de ancho — los lantánidos y actínidos — se extrae debajo de la tabla para mantenerla legible. Los anchos de los bloques son exactamente las capacidades electrónicas de las subcapas s (2), p (6), d (10) y f (14).
Las familias de elementos
Colorear la tabla por familia agrupa los elementos que se comportan de forma parecida. Esto es lo que significa cada color.
- Metal alcalino — Metales blandos, plateados y extremadamente reactivos con un electrón de valencia; reaccionan vigorosamente con el agua.
- Metal alcalinotérreo — Metales reactivos con dos electrones de valencia; más duros y menos reactivos que los metales alcalinos.
- Metal de transición — Metales duros y densos que forman compuestos coloreados y múltiples estados de oxidación; llenan la subcapa d.
- Metal del bloque p — Metales más blandos situados a la derecha del bloque de transición, como el aluminio, el estaño y el plomo.
- Metaloide — Elementos a lo largo de la escalera con propiedades intermedias; el silicio y el germanio son la base de los semiconductores.
- No metal reactivo — No metales reactivos que incluyen los componentes básicos de la vida — carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre.
- Halógeno — No metales muy reactivos del grupo 17 que ganan fácilmente un electrón para formar iones −1 y sales.
- Gas noble — Gases inertes del grupo 18 con las capas externas llenas; casi nunca reaccionan.
- Lantánido — Los metales de tierras raras del bloque 4f, esenciales para imanes, láseres y fósforos.
- Actínido — Los metales del bloque 5f, todos radiactivos, incluidos el uranio y el plutonio.
- Propiedades desconocidas — Elementos sintéticos superpesados cuyas propiedades químicas están predichas pero aún no se han medido por completo.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se lee la tabla periódica?
Se lee de izquierda a derecha y de arriba abajo, en orden de número atómico creciente (el número de protones). Cada fila es un período y cada columna es un grupo. Los elementos de un mismo grupo comparten el mismo número de electrones en la capa externa y, por tanto, se comportan químicamente de forma parecida. La casilla de un elemento muestra su número atómico, su símbolo y su masa atómica.
¿Qué es una configuración electrónica?
Una configuración electrónica indica cómo se distribuyen los electrones de un átomo entre sus capas y subcapas; por ejemplo, el carbono es 1s² 2s² 2p². Sigue el principio de aufbau — los electrones llenan primero las subcapas de menor energía. Esta herramienta muestra la configuración abreviada con gas noble y un diagrama de capas de Bohr para cada elemento.
¿Por qué se producen las tendencias periódicas?
Porque el comportamiento químico está controlado por los electrones más externos y por la fuerza con la que el núcleo los retiene. Avanzar a lo largo de un período añade protones sin añadir una nueva capa, por lo que los átomos se hacen más pequeños y retienen los electrones con más fuerza. Bajar por un grupo añade capas completamente nuevas, por lo que los átomos se hacen más grandes y retienen sus electrones externos con más holgura.
¿Cuál es la diferencia entre un grupo y un período?
Un grupo es una columna vertical (hay 18) y un período es una fila horizontal (hay 7). Los grupos reúnen elementos con química similar; los períodos siguen el llenado progresivo de una nueva capa electrónica. El número en la parte superior de una columna de grupo principal equivale al recuento de electrones de valencia.
¿Dónde están los metales y los no metales?
Los metales llenan la izquierda y el centro de la tabla — la inmensa mayoría de los elementos. Los no metales se agrupan en la parte superior derecha, con los gases nobles en la última columna. Una escalera diagonal de metaloides (boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, telurio) separa a los dos, mostrando propiedades que se mezclan de forma gradual.
¿Qué elementos son líquidos a temperatura ambiente?
Solo dos elementos son líquidos a 25 °C (298 K): el mercurio y el bromo. El galio y el cesio se funden justo por encima de la temperatura ambiente (alrededor de 30 y 28 °C). Usa el modo Estado a T para ver cómo cambia el recuento de sólidos, líquidos y gases al subir o bajar la temperatura.
Problema resuelto al detalle
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Carbono a 12,011 u reconstruido a partir de los isótopos 12 C y 13 C 5 pasos
La ficha del elemento da para el carbono una masa atómica de 12,011 u, y ningún átomo de carbono pesa eso. Este es el estado Detalle del carbono. Reconstruya la cifra a partir de los dos isótopos que contiene una muestra terrestre —12C con una abundancia del 98,93 %, 13C con 13,00335 u y un 1,07 %— y luego determine qué le hace ese 1,07 % a una molécula que contiene 60 átomos de carbono.
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Empiece por la unidad, porque una de estas dos masas nunca se midió. La unidad de masa atómica unificada se define como un doceavo de un átomo de 12C, por lo que el 12C pesa exactamente 12 u, con tantos decimales como se quiera escribir. Solo la cifra del 13C proviene de un experimento.
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La masa tabulada es un promedio sobre los isótopos ponderado por cuántos átomos de cada uno contiene una muestra. Pondere en su lugar por fracción de masa y obtendrá un número distinto e incorrecto.
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Ese es el valor que figura en la ficha, reconstruido a partir de dos masas isotópicas y una medición de abundancia.
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Observe ahora lo que el promedio no es. El 98,93 % de los átomos de carbono se sitúa 0,011 u por debajo de la cifra impresa y el 1,07 % restante se sitúa 0,992 u por encima. La media cae en un hueco donde no existe ningún átomo.
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Ponga 60 de esos átomos en una sola molécula. El número esperado de 13C es 60 × 0,0107 = 0,642, lo que invita a concluir que una buckybola típica contiene un átomo pesado. No es así: la distribución binomial da un 52,4 % que no contiene ninguno frente a un 34,0 % que contiene exactamente uno.
Respuesta
12,011 u — una masa que ningún átomo de carbono tiene. El C60, por lo tanto, no tiene una masa, tiene un espectro: el 52,4 % de las moléculas pesa exactamente 720,000 u, el 34,0 % pesa 721,003 u, el 10,9 % pesa 722,007 u, y la escalera continúa con peldaños separados por 1,00335 u. Multiplicar 60 por 12,011 predice 720,66 u, que no es la masa de una sola molécula de la muestra. Escale el mismo cálculo a una proteína con 1000 átomos de carbono y un 0,98931000 = 2,1 × 10⁻⁵ de las moléculas estará libre de 13C —2 de cada 100 000—, de modo que la línea de solo 12C prácticamente ha desaparecido y la envolvente es lo único que queda por pesar. Cada masa de esta tabla es una afirmación sobre una población, y cuanto más grande sea la molécula que construya, más será la población lo único que podrá ver.
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Referencias (2)
- Insight block 4 credits the table with predicting elements. Three of them, and how they were found: M. V. Orna & M. Fontani, "Discovery of Three Elements Predicted by Mendeleev’s Table: Gallium, Scandium, and Germanium", in Perspectives on the History of Chemistry, 227–257. Springer, 2021.
- And the other half of that record, which the story usually leaves out: G. Lente, "Where Mendeleev was wrong: predicted elements that have never been found." ChemTexts 5, article 17, 2019.