TEORÍA ATÓMICA DE LA MATERIA

2. DESARROLLO DEL MODELO ATÓMICO-MOLECULAR DE LA MATERIA

 

 

 

2.5. Un éxito fundamental del modelo atómico-molecular: El sistema periódico de los elementos

 

 

 

Mendeleiev

A lo largo del siglo XIX se descubrieron nuevos elementos químicos. Por otra parte se fueron conociendo de forma más precisa las propiedades de bastantes elementos y pronto se observó que existían muchos con propiedades químicas muy parecidas, lo que permitió agruparlos en familias. La mayor aportación en este sentido la realizó el científico ruso Dimitri Ivanovich Mendeleiev (1834-1907). Su método para clasificar y disponer todos los elementos químicos dio lugar al llamado sistema periódico de los elementos, uno de los instrumentos más valiosos de la química. Veamos, en palabras del propio Mendeleiev, algunos aspectos de su trabajo:


“La clasificación más corriente de los elementos en metales y no metales no es tan nítida como parecía. Por ejemplo, el fósforo puede actuar unas veces como metal y otras como no metal. Sólo para algunos grupos de elementos no hay duda que forman un todo (por ejemplo los halógenos flúor, cloro, bromo, yodo), pero se han descubierto nuevos elementos que no se sabe donde colo-car. Por otra parte, algunas propiedades físicas de los elementos tales como las ópticas, eléctri-cas, etc., se han medido con precisión para algunos de ellos, pero sabemos que un mismo ele-mento puede presentar, según el estado en que se encuentre, propiedades muy diferentes (como ocurre, por ejemplo, con el grafito y el diamante). Sin embargo, lo cierto es que cualquiera que sea el cambio de propiedades que un elemento pueda experimentar según su estado, existe algo que nos permite afirmar que se trata del mismo elemento… En este sentido, lo único que cono-cemos que no cambia, que toma el mismo valor, tanto cuando el elemento está libre (en cual-quier estado) como cuando se halla combinado con otros formando distintas sustancias, es la masa atómica del elemento en cuestión. Por esta razón me he ocupado de buscar un sistema de clasificación de los elementos basándome en las masas atómicas de los mismos”.

Mendeleiev ordenó los elementos químicos entonces conocidos situándolos en fila según el orden creciente de su masa atómica y cuando llegaba a un elemento que tenía propiedades análogas a otro ya situado, iniciaba una nueva fila colocándolo debajo. De este modo los elementos que se encontraban en una misma columna tenían propiedades análogas y constituían un grupo o familia. A cada fila se le denomina periodo.


Al ordenar los 63 elementos químicos entonces conocidos según este criterio Mendeleiev se encontró con algunos inconvenientes. Así, por ejemplo, se dio cuenta de que el titanio (Ti), que tiene propiedades parecidas al carbono y al silicio, ambos pertenecientes al grupo IV, caía en cambio en el grupo III (con el boro y aluminio) y que esta misma situación se repetía con los elementos que seguían al Ti, cuyas propiedades cuadraban más con las del grupo siguiente que con las del grupo en que caían. Este mismo problema se le planteó posteriormente con otros elementos.

Mendeleiev supuso, acertadamente, que el lugar donde había caído el titanio correspondía a un elemento todavía por descubrir (que resultó ser el escandio, Sc) de masa atómica intermedia entre el calcio y el titanio y análogamente sucedía con otros casos similares. Además, estudiando las propiedades de los elementos que había alrededor de los huecos, pudo hacer acertadas hipótesis sobre las propiedades y características de elementos que todavía no se habían descubierto.

BREVE HISTORIA DEL SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS

Durante el siglo XIX el número de elementos químicos conocidos fue aumentando, a la vez que sus propiedades características fueron mejor establecidas. En consecuencia, surgió la conveniencia de encontrar alguna forma de agruparlos que facilitara su estudio. Los intentos de clasificación de los elementos se basaban, sobre todo, en intentar establecer agrupaciones con aquellos que presentaban unas propiedades más parecidas. Se plantearon fundamentalmente dos cuestiones:
¿Faltan todavía muchos elementos por conocer?
¿A qué se debe que unos elementos tengan entre si propiedades muy distintas y, en cambio, existan otros con propiedades muy parecidas?


Si se lograba encontrar algún criterio que sirviera para clasificar los elementos quizás se podría arrojar alguna luz sobre preguntas como las anteriores

En 1815 el físico ingles William Prout al analizar las masas atómicas otorgadas por Dalton a algunos elementos, sugirió que los distintos elementos no eran sino diferentes combinaciones de átomos de hidrógeno. Según esta hipótesis las masas atómicas debían ser múltiplos de números enteros (se tomaba como unidad de masa atómica la masa del átomo de hidrógeno). No obstante, cuando se hicieron medidas más precisas de las masas atómicas, hubo que abandonar esta hipótesis ya que había muchos casos en los que no se cumplía.

Sin embargo, aunque las masas atómicas no estaban relacionadas con los elementos de una forma tan simple como la supuesta, lo cierto es que sí que se detectaba la existencia de alguna correlación entre las masas atómicas y las propiedades de algunos elementos químicos, existiendo familias o grupos de elementos cuyas propiedades variaban progresivamente con el valor de las masas atómicas. Esto ocurre, por ejemplo, con los puntos de fusión y ebullición de la familia de los halógenos (flúor, cloro, bromo y yodo) que van aumentando progresivamente conforme lo va haciendo la masa atómica de los mismos.


En 1829 el químico alemán J. W. Döbereiner se dio cuenta de que, para algunas familias, las masas atómicas de cualquiera de sus elementos intermedios eran iguales o aproximadamente iguales al valor medio de las masas atómicas de sus vecinos anterior y posterior. Así, por ejemplo, ocurre con la masa atómica relativa del bromo (79,9) que, aproximadamente es la media entre la del cloro (35,5) y la del yodo (127). Parecía pues que las masas atómicas de una misma familia de elementos debían de ir aumentando sucesivamente en progresión aritmética. Este tipo de hallazgos fue fortaleciendo la hipótesis de una cierta relación entre masa atómica y propiedades parecidas.


En la segunda mitad del siglo XIX se conocían ya más de 50 elementos químicos. El químico inglés J.H. Gladstone señaló que podía ser útil ordenarlos según sus masas atómicas crecientes. Su compatriota J.A.R. Newlands investigó dicha posibilidad y al hacerlo obtuvo que cada 8 elementos el último era una especie de repetición (propiedades análogas) del primero.

En esa misma época el ruso Dimitri Mendeleiev y el alemán Lothar Meyer, cada uno por su lado y desconociendo ambos el trabajo de Newlands, trabajaron sobre la posibilidad de relacionar las masas atómicas y las propiedades de los elementos. En las publicaciones de Mendeleiv en 1869 y, un poco más tarde, en las de Meyer, se encuentra la culminación del trabajo de décadas anteriores. Cuando todavía no se conocía nada acerca de la estructura interna del átomo, Mendeleiev publicó su tabla periódica con 63 elementos y para lograr que ciertos elementos estuviesen colocados en el grupo adecuado tuvo la brillante idea de dejar algunos huecos vacantes, prediciendo la existencia de nuevos elementos (entonces todavía no descubiertos) e indicando, anticipadamente, algunas de sus propiedades.


En 2009 se conocían 118 elementos diferentes ordenados en el sistema periódico según su número atómico creciente. La mayoría de ellos se encuentra de una forma más o menos abundante en la naturaleza (podríamos decir que en el Universo, ya que analizando meteoritos y rocas de la Luna o de Marte así como la luz que nos llega de las estrellas, no se han encontrado elementos diferentes a los conocidos en la Tierra, lo que confirma el origen común de todos los astros). Existen algunos que no se encuentran en la naturaleza sino que han sido fabricados artificialmente (fundamentalmente los elementos más pesados, a partir del uranio), coloreados de amarillo en la tabla periódica de la página siguiente).

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