Capítulo XV

LEY PERIÓDICA

Ahora se ha estudiado de manera algo detallada a varios de los elementos. Los tres primeros de ellos, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno, aunque comparten algunas propiedades físicas entre sí, casi no presentan similitud alguna en cuanto a su comportamiento químico. Por otro lado, el oxígeno y el azufre, aunque son bastante diferentes físicamente, tienen mucho en común en sus propiedades químicas.

Actualmente se conocen alrededor de ochenta elementos. Si todos ellos tuvieran propiedades tan diversas como las de oxígeno, hidrógeno y nitrógeno, el estudio de la química sería evidentemente muy difícil y complicado. Sin embargo, si los elementos pueden clasificarse en grupos cuyos miembros tengan propiedades muy similares, el estudio se simplifica considerablemente.

~Clasificación temprana de los elementos.~ Incluso en una época temprana se intentó descubrir algún principio natural conforme al cual pudieran clasificarse los elementos. Aquí se pueden mencionar dos de estas clasificaciones.

1. Clasificación en metales y no metales. La clasificación en metales y no metales se sugirió de manera natural. Esta agrupación se basaba principalmente en propiedades físicas: los metales son pesados, brillantes, maleables, dúctiles y buenos conductores de calor y electricidad. Los elementos que poseen estas propiedades suelen ser formadores de bases, y la capacidad de formar bases llegó a considerarse una propiedad característica de los metales. Los no metales poseían propiedades físicas opuestas a las de los metales y eran formadores de ácidos.

No se obtuvo mucho con esta clasificación, y resultó ser muy imperfecta. Algunos metales, como el potasio, son muy ligeros; algunos no metales, como el yodo, tienen un alto brillo; algunos elementos pueden formar tanto un ácido como una base.

2. Clasificación en familias de tríadas. En 1825, Döbereiner observó que existe una relación interesante entre los pesos atómicos de elementos químicamente similares. Por ejemplo, el litio, el sodio y el potasio se parecen mucho entre sí, y el peso atómico del sodio es casi exactamente el promedio aritmético de los otros dos: (7.03 + 39.15)/2 = 23.09. En muchas propiedades químicas y físicas, el sodio está a medio camino entre los otros dos.

Se encontraron varias familias de tríadas, pero entre ochenta elementos, cuyos pesos atómicos varían desde 1 hasta 240, tales coincidencias podrían ser simples casualidades. Además, muchos elementos no parecían pertenecer a tales familias.

~División periódica.~ En 1869, el químico ruso Mendeléiev ideó una disposición de los elementos basada en sus pesos atómicos, que ha resultado de gran utilidad en el estudio comparativo de los elementos. Unos meses después, el alemán Lothar Meyer sugirió de manera independiente las mismas ideas. Esta disposición puso de manifiesto una gran generalización, ahora conocida como la ley periódica. Se dará una declaración exacta de la ley después de describir el método de disposición de los elementos.

~Disposición de la tabla periódica.~ La disposición sugerida por Mendeléiev, modificada en cierta medida por investigaciones más recientes, es la siguiente: Comenzando con el litio, que tiene un peso atómico de 7, los elementos se disponen en una fila horizontal en orden de sus pesos atómicos, así:

~Li (7.03), Be (9.1), B (11), C (12), N (14.04), O (16), F (19).~

Estos siete elementos difieren notablemente entre sí. El octavo elemento, sodio, es muy similar al litio. Se coloca justo debajo del litio, y sigue una nueva fila:

~Na (23.05), Mg (24.36), Al (27.1), Si (28.4), P (31), S (32.06), Cl (35.45).~

Cuando se llega al decimoquinto elemento, potasio, se coloca debajo del sodio, al que se parece mucho, y sirve para iniciar una tercera fila:

~K (39.15), Ca (40.1), Sc (44.1), Ti (48.1), V (51.2), Cr (52.1), Mn (55).~

No solo existe una fuerte similitud entre litio, sodio y potasio, que se han colocado en una columna vertical debido a esta semejanza, sino que los elementos en las demás columnas verticales muestran mucha de la misma clase de similitud entre sí, y evidentemente forman pequeños grupos naturales.

Los tres elementos que siguen al manganeso, es decir, hierro, níquel y cobalto, tienen pesos atómicos cercanos y son muy similares químicamente. No se parecen mucho a ninguno de los elementos considerados hasta ahora, por lo que se colocan en un grupo aparte, después del manganeso. Una nueva fila comienza con el cobre, que se asemeja en cierta medida a los elementos de la primera columna vertical. Después de la quinta y séptima filas hay grupos de tres elementos estrechamente relacionados, de modo que la disposición completa tiene el aspecto representado en la tabla de la página 168.

LA DISPOSICIÓN PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS

—+—+—+—+—+—+ Períodos GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO 0 I II III IV A B A B A B A B A B —+—+—+—+—+—+ 1 H=1.008 2 He=4 Li=7.03 Be=9.1 B=11 C=12 —+—+—+—+—+—+ 3 Ne=20 Na=23.05 Mg=24.36 Al=27.1 Si=28.4 —+—+—+—+—+—+ 4 A=39.9 K=39.15 Ca=40.1 Sc=44.1 Ti=48.1 —+—+—+—+—+—+ 5 Cu=63.6 Zn=65.4 Ga=70 Ge=72.5 —+—+—+—+—+—+ 6 Kr=81.8 Rb=85.5 Sr=87.6 Y=89 Zr=90.6 —+—+—+—+—+—+ 7 Ag=107.93 Cd=112.4 In=115 Sn=119 —+—+—+—+—+—+ 8 X=128 Cs=132.9 Ba=137.4 La=138.9 Ce=Yb 140.25-173 —+—+—+—+—+—+ 9 Au=197.2 Hg=200 Tl=204.1 Pb=206.9 Bi=208.5 —+—+—+—+—+—+ 10 Ra=225 Th=232.5 —+—+—+—+—+—+ R{2}O RO R{2}O{3} RO{2} RH RH{2} RH{3} RH{4} —+—+—+—+—+—+

==================parte 2==============

—+—+—+—+—+—+ Períodos GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO V VI VII VIII A B A B A B —+—+—+—+—+ 1 2 N=14.04 O=16 F=19 —+—+—+—+—+ 3 P=31 S=32.06 Cl=35.45 —+—+—+—+—+ 4 V=51.2 Cr=52.1 Mn=55 Fe=55.9 Ni=58.7 Co=59 —+—+—+—+—+ 5 As=75 Se=79.2 Br=79.96 —+—+—+—+—+ 6 Cb=94 Mo=96 Ru=101.7 Rh=103 Pd=106.5 —+—+—+—+—+ 7 Sb=120.2 Te=127.6 I=126.97 —+—+—+—+—+ 8 Ta=183 W=184 Os=191 Ir=193 Pt=194.8 —+—+—+—+—+ 9 —+—+—+—+—+ 10 U=238.5 —+—+—+—+—+ R{2}O{5} RO{3} R{2}O{7} RO{4} RH{3} RH{2} RH —+—+—+—+—+

[Esto incluye varios elementos cuyos pesos atómicos se encuentran entre 140 y 173, pero que no han sido estudiados con precisión, por lo que su disposición correcta es incierta.]

~Lugar de los elementos atmosféricos.~ Cuando se descubrió el argón, se vio de inmediato que no había lugar en la tabla para un elemento con un peso atómico de aproximadamente 40. Sin embargo, cuando se encontraron los otros elementos inactivos, se hizo evidente que forman un grupo justo antes del Grupo 1. Por lo tanto, se disponen de esta manera en el Grupo 0 (véase la tabla en la página opuesta). El estudio de esta tabla revela ciertos hechos muy notables.

~Las propiedades de los elementos varían con los pesos atómicos.~ Evidentemente existe una relación estrecha entre las propiedades de un elemento y su peso atómico. El litio, al inicio del primer grupo, es un elemento fuertemente formador de bases, con propiedades metálicas muy marcadas. El berilio, que sigue al litio, es menos fuertemente formador de bases, mientras que el boro tiene algunas propiedades formadoras de bases y otras formadoras de ácidos. En el carbono han desaparecido todas las propiedades formadoras de bases, y las propiedades formadoras de ácidos son más notorias que en el boro. Estas se acentúan aún más al pasar por el nitrógeno y el oxígeno, hasta que al llegar al flúor tenemos uno de los elementos más fuertemente formadores de ácidos. Las propiedades de estos siete elementos, por lo tanto, varían regularmente con sus pesos atómicos o, en lenguaje matemático, son funciones regulares de ellos.

~Ley periódica.~ Las propiedades de los primeros siete elementos varían de manera continua—es decir, de forma constante—desde las propiedades formadoras de bases hacia las formadoras de ácidos. Si el litio tuviera el menor peso atómico de todos los elementos, y el flúor el mayor, de modo que al pasar de uno a otro hubiéramos incluido a todos los elementos, podríamos decir que las propiedades de los elementos son funciones continuas de sus pesos atómicos. Pero el flúor es un elemento de pequeño peso atómico, y el que le sigue, sodio, rompe el orden regular, pues en él reaparecen todas las propiedades características del litio. El magnesio, que sigue al sodio, guarda una relación con el berilio similar a la que el sodio tiene con el litio, y las propiedades de los elementos en la segunda fila varían de manera semejante a como lo hacen en la primera fila hasta llegar al potasio, cuando comienza otra repetición. Por lo tanto, las propiedades de los elementos no varían de manera continua con los pesos atómicos, sino que a intervalos regulares hay una repetición, o período. Esta generalización se conoce como la ley periódica, y puede enunciarse así: Las propiedades de los elementos son funciones periódicas de sus pesos atómicos.

Las dos familias en un grupo. Aunque todos los elementos en una columna vertical dada guardan una semejanza general entre sí, se ha notado que aquellos que pertenecen a períodos de números pares son notablemente similares entre sí. Estos se ubican en el lado izquierdo de las columnas de grupo. De manera similar, los elementos que pertenecen a los períodos impares son muy parecidos y se disponen en el lado derecho de las columnas de grupo. Así, el calcio, el estroncio y el bario son muy semejantes; lo mismo ocurre con el magnesio, el zinc y el cadmio. La semejanza entre calcio y magnesio, o entre estroncio y zinc, es mucho menos marcada. Este método de organización divide por lo tanto cada grupo en dos familias, cada una con cuatro o cinco miembros, entre los cuales existe una gran similitud.

Semejanzas familiares. Examinemos ahora con mayor detalle en qué aspectos se parecen entre sí los elementos de una familia.

1. Valencia. En general, la valencia de los elementos de una familia es la misma, y por lo tanto las fórmulas de sus compuestos son similares. Si sabemos que la fórmula del cloruro de sodio es NaCl, es bastante seguro que la fórmula del cloruro de potasio será KCl, y no KCl2 o KCl3. Las fórmulas generales R2O, RO, etc., que se colocan debajo de las columnas, muestran las fórmulas de los óxidos de los elementos en la columna, siempre que formen óxidos. De igual modo, las fórmulas RH, RH2, etc., muestran la composición de los compuestos formados con hidrógeno o cloro.

2. Propiedades químicas. Las propiedades químicas de los miembros de una familia son bastante similares. Si un miembro es un metal, los demás usualmente también lo son; si uno es un no metal, los otros también lo serán. Las familias en las dos primeras columnas consisten en metales, mientras que los elementos que se encuentran en las dos últimas columnas forman ácidos. Además, existe cierta regularidad en las propiedades de los elementos de cada familia. Si el elemento que encabeza la familia es un formador de ácido fuerte, es probable que esta propiedad disminuya gradualmente a medida que avanzamos hacia los miembros de la familia con mayor peso atómico. Así, el fósforo es fuertemente formador de ácido, el arsénico lo es menos, el antimonio aún menos, mientras que el bismuto casi no tiene propiedades formadoras de ácido. Encontraremos muchas ilustraciones de este hecho.

3. Propiedades físicas. De la misma manera, las propiedades físicas de los miembros de una familia son en general algo similares y muestran una gradación regular a medida que pasamos de un elemento a otro en la familia. Así, las densidades de los miembros de la familia del magnesio son

Mg = 1.75, Zn = 7.00, Cd = 8.67, Hg = 13.6.

Sus puntos de fusión son

Mg = 750 °C, Zn = 420 °C, Cd = 320 °C, Hg = -39.5 °C.

Valor de la ley periódica. La ley periódica ha demostrado ser de gran valor en el desarrollo de la ciencia de la química.

1. Simplifica el estudio. Es evidente de inmediato que tales regularidades simplifican mucho el estudio de la química. Un estudio exhaustivo de un elemento de una familia hace que el estudio de los otros miembros sea una tarea mucho más sencilla, ya que muchas de las propiedades y reacciones químicas de los elementos son similares. Así, habiendo estudiado el elemento azufre en detalle, no es necesario estudiar el selenio y el telurio tan minuciosamente, pues la mayoría de sus propiedades pueden predecirse a partir de la relación que guardan con el azufre.

2. Predice nuevos elementos. Cuando la ley periódica fue formulada por primera vez, había varios espacios vacíos en la tabla que evidentemente correspondían a elementos entonces desconocidos. A partir de su posición en la tabla, Mendeléyev predijo con gran precisión las propiedades de los elementos que estaba seguro de que algún día serían descubiertos para llenar esos lugares. Tres de ellos, escandio, germanio y galio, fueron hallados en un lapso de quince años, y sus propiedades coincidieron de manera notable con las predicciones de Mendeléyev. Todavía existen algunos espacios vacíos en la tabla, especialmente entre los elementos más pesados.

3. Corrige errores. Las constantes físicas de muchos elementos no coincidían al principio con las exigidas por la ley periódica, y un estudio posterior de muchos de estos casos mostró que se habían cometido errores. Por lo tanto, la ley ha prestado un gran servicio al indicar la posible existencia de errores.

Imperfecciones de la ley. Todavía quedan bastantes aspectos que deben considerarse como imperfecciones de la ley. Lo más notable es el hecho de que el elemento hidrógeno no tiene lugar en la tabla. En algunos grupos, los elementos aparecen en una de las familias, mientras que todas sus propiedades muestran que pertenecen a la otra. Así, el sodio pertenece con el litio y no con el cobre; el flúor pertenece con el cloro y no con el manganeso. Hay dos casos en los que los elementos deben ser transpuestos para que encajen en su grupo adecuado. Según sus pesos atómicos, el telurio debería seguir al yodo, y el argón debería seguir al potasio. Sus propiedades muestran en cada caso que este orden debe invertirse. La tabla separa por completo algunos elementos que, en muchos aspectos, tienen propiedades muy semejantes. El hierro, el cromo y el manganeso están en diferentes grupos, aunque son similares en muchos aspectos.

Por lo tanto, el sistema debe considerarse solo como una expresión parcial e imperfecta de una relación muy importante y fundamental entre las sustancias que conocemos como elementos, cuya naturaleza exacta aún no nos resulta completamente clara.

EJERCICIOS

1. Suponga que se descubriera un elemento que llenara el espacio en blanco en el Grupo O, Período 5; ¿qué propiedades probablemente tendría?

2. Suponga que se descubriera un elemento que llenara el espacio en blanco en el Grupo VI, Período 9, familia B; ¿qué propiedades tendría?

3. El azufre y el oxígeno pertenecen ambos al Grupo VI, aunque a diferentes familias; ¿en qué aspectos son similares estos dos elementos?