Tendencia de reactividad por grupos
Los primeros veinte elementos que son los más comunes en la naturaleza aparecen en los grupos A (IA, IIA, IIIA al VIIIA), éstos se conocen como elementos representativos, mientras que los metales de los grupos B reciben el nombre de elementos de transición y a los que se encuentran en el bloque f (debajo de la tabla periódica) se les conoce como elementos de transición interna, como se mencionó en los capítulos anteriores. A continuación se dará la información más relevante de cada uno de los grupos de estos elementos.
La baja reactividad de los gases nobles
Iniciaremos este estudio con los gases nobles, que si bien pertenecen a los elementos principales por ser muy estables gracias a que poseen su último orbital lleno (es decir, tienen ocho electrones en su capa de valencia) son poco reactivos. Hasta el año 1962 estos elementos se consideraron gases inertes hasta que en ese mismo año se observó la reacción del xenón (Xe).
El helio (He) tiene lleno el nivel de energía n=1, por lo que a la fecha no se ha logrado obtener ningún compuesto derivado de éste. Sin embargo, debido a que es el elemento con menor punto de licuefacción (-268.9 °C a 1 atm de presión) se utiliza como el refrigerante más frío que existe. Algunos materiales presentan fenómenos cuánticos como la superconductividad o la superfluidez.
Al igual que el helio, el neón (Ne) tiene lleno el nivel 2. En el 2010 Tanaka publicó un estudio teórico en el que se plantea la posibilidad de que exista una estructura cristalina de un hidrato de neón a presiones del orden de gigapascales (GPa) y temperaturas elevadas; este estudio nos da una idea de la estabilidad del neón.
Los gases nobles sirven para la construcción de los láser, el de helio-neón emite una luz roja con λ=632.85 nm (nanómetros, 1nm= 1x10-9m). El neón se utiliza, además, para fabricar tubos de descarga con los que se elaboran los anuncios de luz roja-naranja de algunos establecimientos.
Figura 1. Letrero luminoso de gas neón
En el caso del argón (Ar), cuya configuración electrónica es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6, no se puede decir que el orbital está lleno pues aún falta el 3d que se encuentra vacío, sin embargo, es casi tan inerte como el neón.
El kriptón o criptón (Kr) y el xenón (Xe) que también presentan llenos los orbitales s y p para n=4 y n=5, respectivamente, son los únicos elementos de los que se tiene registro que han reaccionado. No obstante, los pocos compuestos que existen son altamente inestables. Por su parte, el radón (Rn) es un gas radiactivo.
Debido a la poca reactividad de los gases nobles se utilizan en algunos procesos que requieren condiciones inertes, por ejemplo, para llenar con ellos bombillas eléctricas y así prolongar la vida de los filamentos.
Figura 2. Partes de una bombilla
Como se analizó en el tema: Clasificación de los elementos en función de la configuración electrónica, los metales alcalinos poseen la configuración electrónica de valencia ns1 y los alcalinotérreos ns2. Por ello, los primeros tienden a formar iones con estado de oxidación +1 y los segundos con estado de oxidación +2.
Los metales alcalinotérreos son menos reactivos que los alcalinos, no obstante, ninguno de ellos se encuentra libre en la naturaleza, por lo que todos los elementos pertenecientes a ambos grupos son altamente reactivos.
Para observar la reactividad de estos compuestos observa el siguiente video:
El uso más difundido del magnesio (Mg) (Z=12: [Ne] 3s2) es el que se da en la industria automotriz y aeroespacial pues con él se fabrican aleaciones de aluminio que son sumamente ligeras.
Figura 3. Ejemplos de las aplicaciones de las aleaciones de magnesio.
Por su parte, el calcio (Ca) (Z=20: [Ar]4s2) se presenta en la naturaleza como carbonato de calcio CaCO3; se trata de un compuesto poco soluble en agua, sin embargo, en presencia de CO2 puede disolverse al formar Ca (HCO3)2.
Debido a la presencia de CO2 en la atmósfera, al llover el carbonato de calcio en el suelo se disuelve, colándose al subsuelo, de manera que al evaporarse el agua se forman las estalactitas y las estalagmitas que se observan en las cuevas.
Los elementos de este grupo cuentan con tres electrones de valencia, pues, como se mencionó en el tema: Clasificación de los elementos en función de la configuración electrónica, la configuración en el último nivel es ns2np1. Así, cuando forman compuestos iónicos presentan una carga formal de +3.
De estos elementos, el boro (B) es el que presenta características muy especiales; en general, se acepta que los enlaces químicos requerían de, al menos, dos electrones, pero la síntesis de los boranos (compuestos de boro-hidrógeno) mostró que existían enlaces con menos electrones.
Por su parte, el aluminio (Al) es el tercer elemento más abundante en la tierra después del oxígeno (O) y el silicio (Si). Se utiliza en una gran variedad de antiácidos puesto que el hidróxido de aluminio y el de magnesio neutralizan el ácido clorhídrico del estómago. Es importante tomar estos antiácidos con precaución pues aún no se ha demostrado si tienen algo que ver con algunos padecimientos como el alzheimer.
Figura 4. La mayoría de los antiácidos contienen hidróxido de aluminio.
El grupo IVA posee cuatro electrones de valencia (ns2np2) por lo que se trata de elementos tetravalentes.
Sobre el carbono, que pertenece a este grupo, se puede decir que existe una rica variedad de compuestos formados con él debido a sus propiedades y a su capacidad de formar enlaces covalentes, junto con el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el fósforo (P) y el azufre (S). De hecho, es considerado el elemento base de los compuestos orgánicos. Por ello, toda una rama de la Química se dedica al estudio de los compuestos formados a partir de este elemento, a dicha rama se le conoce como química orgánica.
Otro elemento importante es el silicio. Su mayor utilidad actual es la fabricación de microchips y celdas solares. El resto de los elementos de este grupo, como son: germanio (Ge), estaño (Sn) y plomo (Pb) son metales. El germanio se utiliza principalmente como semiconductor; el estaño se usa en la industria metalúrgica y en la formación de vidrio debido a que forma aleaciones con otros metales, así como con el sílice, y la mayor aplicación del plomo es como cubierta de otros metales para la formación de cables gracias a su alta ductilidad.
Figura 5. Diagrama que ejemplifica el ciclo del carbono y su importancia para la vida en la tierra
En estos elementos los electrones de valencia son cinco dada su configuración ns2np3; los dos más comunes del grupo son el nitrógeno (N) (Z=7 [He] 2s22p3) y el fósforo (P) (Z=15 [Ne] 3s23p3) que son metales que forman parte de todos los seres vivos. El nitrógeno se presenta en la naturaleza como N2, el gas incoloro e inodoro que forma el 78 % del aire atmosférico.
Figura 6. Ciclo del nitrógeno
El oxígeno Z=8 [He] 2s2p4 y el azufre (Z=16: [Ne] 3s23p4) forman parte de esta familia que tiene seis electrones de valencia: ns2np4. Estos elementos son divalentes porque basta que obtengan dos electrones para que adquieran la configuración estable ns2np6 de un gas noble, al hacerlo forman los iones óxido O2- y sulfuro S2-.
El oxígeno es vital para los seres humanos pues forma parte del ciclo de la respiración.
Figura 7. Ciclo de la respiración
Los halógenos poseen siete electrones de valencia (ns2np5) y se parecen al hidrógeno porque les falta un electrón para adquirir la configuración de los gases nobles, por ello sus iones se presentan como H - (hidruro), F - (fluoruro), Cl - (cloruro), Br- (bromuro) e I- (yoduro). Adicionalmente, es común que el hidrógeno pierda su único electrón para formar el ion H+ o protón.
Los halógenos son metales muy activos que no se encuentran libres en la naturaleza, algunas de sus aplicaciones más importantes son:
Figura 8. El yodo es comúnmente utilizado como antiséptico.
Los elementos con número atómico entre Z=21 y Z=30 abren grupos especiales de la tabla periódica (del grupo IIIB al IIB). Tal vez lo más interesante de todos estos elementos sea que se diferencian entre sí por la cantidad de electrones en el subnivel 3d, pero como el nivel más externo (n=4) se mantiene prácticamente constante sus propiedades químicas son muy semejantes.
Como puedes ver en la tabla periódica hay otros dos periodos de metales de transición, uno va del itrio (Y) al cadmio (Cd) y otro del hafnio (Hf) al mercurio (Hg), todos ellos son elementos metálicos. En estos grupos se encuentran los metales que se consideran preciosos, como la plata, el oro, el cobre y, recientemente, el iridio y el rodio por sus propiedades de brillo y ductilidad.
Figura 9. El oro, la plata y el platino son metales de transición.
Aplicaciones interesantes de los metales de transición interna: lantánidos y actínidos
Al avanzar en la construcción de configuraciones electrónicas para los elementos llega un momento en que debe empezar a llenarse el primer subnivel f, inmediatamente después del 6s. Así, después del bario (Ba) que tiene una configuración externa 6s2 siguen catorce que comienzan a ocupar el subnivel 4f (recuerda que como su inclusión dentro de la tabla la haría demasiado larga se acostumbra ponerlos en la parte de abajo). Observa la posición de los elementos que van del lantano (La) (Z=57) al lutecio (Lu) (Z=71), conocidos como tierras raras o lantánidos.
Posteriormente, una vez que se ha llenado el subnivel 7s con el radio (Ra) vuelve a aparecer un segundo periodo de metales de transición interna que van del actinio (Ac) al lawrencio (Lr) y llenan el subnivel 5f, se les conoce como actínidos.
Las tierras raras son los elementos con números atómicos entre 57 y 71. La primera noción de su existencia data de 1788, pero fue cincuenta años más tarde cuando Mosander pudo aislar el lantano de un mineral llamado cerita.
La separación y aislamiento de estos metales tardó más de cien años hasta que se obtuvo el prometio (Pm) puro en 1947 (se trata de un elemento inexistente en la naturaleza que se produjo mediante reacciones nucleares).
Estos elementos son difíciles de separar debido a que sus propiedades químicas son muy similares pues sus configuraciones electrónicas son parecidas ya que todos van llenando el subnivel 4f y sus electrones más externos son los 6s y, como hemos insistido, las propiedades químicas son determinadas esencialmente por los electrones más externos y forman iones estables con carga 3+. Las excepciones son el cerio (Ce) que forma iones 4+ y el europio (Eu) que presenta la carga 2+.
Con el tiempo, y haciendo poco honor a su nombre, ha resultado que estos elementos no son tan raros pues se encuentran muy difundidos en la corteza terrestre. Por ejemplo, el cerio es más abundante que el cobre (Cu) y hay cuatro veces más tulio (Tm) que plata (Ag), además, su utilización se ha generalizado, por lo que se han convertido en materiales estratégicos. A continuación se ejemplifican algunas de sus aplicaciones.
Estos metales se incorporan a los aceros para mejorar sus propiedades, tales como la flexibilidad, así como la resistencia a la corrosión y al impacto. Asimismo, permiten a los geólogos clasificar, datar y determinar el origen de las rocas. Por su parte, el samario (Sm), el europio (Eu) y el gadolinio (Gd) se emplean en las barras de control de neutrones de los reactores nucleares. En ciertos compuestos el europio es luminiscente y se emplea para producir el color rojo en los monitores de televisión.
Figura 10. El europio en ciertos compuestos es luminiscente y se emplea para producir el color rojo en los monitores.
Las aleaciones de lantano (La) y del níquel (Ni) absorben gran cantidad de hidrógeno (H), con ellas se han diseñado vehículos no contaminantes que emplean hidrógeno como combustible. Otra aplicación destacable es en los imanes permanentes más potentes que existen pues contienen samario y han hecho posible el diseño de motores electrónicos más eficientes. El neodimio (Nd), el holmio (Ho) y disprosio (Dy) han permitido diseñar nuevas fuentes de rayos láser. El lantano (La) se empleó para fabricar la primera cerámica superconductora de alta temperatura.
Ahora sí, estás preparado para la “guerra de la Química” dondequiera que te encuentres. Siempre que tengas a la mano una tabla periódica podrás utilizar toda la información que se te proporcionó en esta unidad.
La segunda sección fue creada con la intención de que la estructura de la tabla periódica actual sea clara para ti y puedas decodificar la información que permite relacionar las configuraciones electrónicas de los elementos con su posición en la tabla.
Revisaste los conceptos de las propiedades periódicas, así como las tendencias que éstas siguen en la tabla con el objetivo de que te resulten comprensibles, por ello en esta sección se procuró explicar dichos conceptos con ejemplos que resultaran cercanos a tu cotidianidad.
El último apartado tiene como finalidad conocer cómo las propiedades periódicas afectan la reactividad de los elementos, esto quiere decir que al conocer la posición del elemento en la tabla periódica se puede predecir la reactividad y por ello, a su vez, se puede pronosticar el estado de oxidación que tendrá el elemento al combinarse con otro u otros.
Examina la sección denominada Materiales de apoyo donde encontrarás información sobre la propiedad de electronegatividad que muestran los elementos al combinarse unos con otros para formar compuestos.
