Llamamos ELEMENTOS QUÍMICOS a
los componentes elementales de todas las sustancias químicas, es decir aquellos
componentes básicos que no pueden ser descompuestos en nada más sencillo y que
en diferentes combinaciones componen a todas las sustancias simples o
compuestas, inorgánicas u orgánicas.
Se han hallado hasta la
actualidad 90 elementos químicos en la
Tierra y se supone la existencia de otros 2 que se sintetizaron en el
laboratorio pero no se han encontrado en la naturaleza. También se han
sintetizado otros 20 elementos, conocidos como transuránicos, pero son todos
radiactivos y de vida media relativamente corta por lo cual se sabe que no
existen naturalmente.
Estos elementos se encuentran
ampliamente distribuidos en la atmósfera, la hidrósfera y principalmente la
corteza terrestre; algunos son muy abundantes, conocidos y usados por el
hombre, como el oxígeno, el carbono, el hidrógeno, el hierro, el cobre, etc.
Otros, a pesar de su abundancia son poco conocidos y recién en los últimos
tiempos se están utilizando con algún fin tecnológico como el silicio, el
helio, o inclusive el aluminio. Algunos son muy conocidos a pesar de su escasez
como el oro o el platino y finalmente a otros muy escasos y por eso poco
conocidos y utilizados como osmio, disprosio, telurio, etc.
El hidrógeno (H) es el elemento más abundante del universo
(prácticamente el 99%); es el principal componente de las estrellas y del polvo
interestelar en estado nativo o como plasma. Es el elemento de átomos más livianos,
el la Tierra se encuentra siempre combinado formando parte principalmente del
agua (11% en masa) y de algunos minerales de la corteza; es prácticamente
inexistente en la atmósfera pero es fundamental para los seres vivos.
El oxígeno (O) es el elemento más abundante de la corteza
terrestre (46%) y en el agua (88%), y el segundo en abundancia en la atmósfera
(21%) y es también de fundamental importancia para la vida. Interviene junto
con el agua y el CO2 en el ciclo de la respiración y fotosíntesis que
sostiene el sistema vital terrestre.
El carbono (C) es un elemento relativamente escaso, dada su
fundamental importancia para los seres vivos; se encuentra en estado nativo en
los yacimientos de carbón, grafito y diamante que son sus tres variedades alotrópicas
naturales; también combinado formando sustancias compuestas como el dióxido de
carbono (CO2) atmosférico y numerosos minerales de la corteza o
disueltos en el agua conocidos como carbonatos, entre ellos el carbonato de
calcio que forma al mármol.
El nitrógeno (N) es el principal componente de la atmósfera
terrestre donde se encuentra en estado nativo (89%) mezclado con el oxígeno y
otros. En menor proporción en la corteza terrestre formando numerosos minerales
conocidos como nitratos y nitritos, es también un elemento biogenésico, es
decir de fundamental importancia para los seres vivos.
El Helio (He) es el segundo elemento en abundancia relativa en
el universo, se forma a partir del hidrógeno en la reacción nuclear de fusión, por
la que obtienen su energía luminosa y calórica todas la estrellas.
Prácticamente no se encuentra en la Tierra. Junto con el neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr) y xenón (Xe), forma parte del
grupo de los gases inertes,
llamados así por su casi nula actividad química, por lo que se los encuentra
sólo en estado nativo en el aire atmosférico.
El silicio (Si) es el segundo elemento en importancia en la
corteza terrestre (28%) donde se encuentra siempre combinado formando una
enorme variedad de minerales conocidos como silicatos que integran casi todas
las rocas y suelos desde la arena pasando por la arcilla hasta el granito. Es
uno de los pocos metaloides que se emplea en la fabricación de semiconductores
que han adquirido gran importancia en la nueva revolución tecnológica provocada
por la electrónica.
Aluminio (Al), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y magnesio (Mg)
son los metales más abundantes de la corteza terrestre (19%)(El SIAL y el SIMA)
donde se encuentran siempre combinados formando minerales.
El hierro (Fe) y en níquel (Ni) son los elementos que componen
casi todo el núcleo terrestre y forman numerosos minerales en la corteza
terrestre. Se encuentran también en muchos meteoritos.
El oro (Au), la plata (Ag) y el cobre (Cu), son de los pocos metales que pueden encontrarse en la
corteza terrestre en estado nativo
en filones o arenas sedimentarias.
El azufre (S), junto con el carbono es de los pocos no metales
que pueden encontrarse en estado nativo formando depósitos o yacimientos
superficiales o subterráneos en la corteza, pero también se encuentra combinado
con otros formando minerales llamados sulfuros, sulfitos y sulfatos, de los
cuales el yeso (sulfato de calcio) es uno de los más conocidos. Es uno de los
oligoelementos como el fósforo (P)
que en cantidades menores es importante también para los seres vivos.
Varios metales livianos como sodio
(Na), potasio (K), calcio (Ca) son también oligoelementos vitales y se
encuentran ampliamente distribuidos en la corteza terrestre, o disueltos en el
agua de ríos, mares y napas subterráneas.
Otros metales más pesados
relativamente abundantes en la corteza tienen diversos usos como el cinc (Zn), cromo (Cr), mercurio (Hg),
estaño (Sn), plomo (Pb) , etc.
Los halógenos: flúor (F),
cloro (Cl), bromo (Br) y yodo (I), constituyen un grupo muy particular de
no-metales muy reactivos que se encuentran en numerosos minerales de la corteza
o en el agua, combinados con varios metales.
Los elementos de átomos más
pesados que los de plomo, como radón
(Rn), radio (Ra), torio (Th), uranio (U), etc. son radiactivos, es decir que sus átomos transmutan con el
tiempo en otros átomos más livianos emitiendo radiaciones α, β, o γ que son
nocivas para los seres vivos pero se suelen usar en algunas actividades
industriales o de diagnóstico o tratamientos médicos.
Por último, los elementos de
átomos más pesados que los del uranio, como el plutonio (Pu) y muchos otros, se conocen como transuránicos y son todos sintéticos, es decir fabricados en
el laboratorio o en los reactores nucleares y sus átomos terminan transmutando
en otros más livianos en un tiempo más corto o más largo.
El concepto de elemento químico no
siempre estuvo claro en el conocimiento científico. En la antigüedad clásica,
con el pensamiento griego aparecieron las primeras ideas acerca de que todo lo
conocido estuviera formado por unos pocos elementos y se consideraba como tales
al agua, el aire, la tierra y el fuego, y en cambio no se reconocían como tales
a elementos de mucho uso como el hierro, el cobre, el cinc, el estaño, el
plomo, el oro, la plata y otros. Este pensamiento se extendió prácticamente
durante toda la Edad Media, aunque se fueron incorporando otros como el
mercurio y el azufre. Los alquimistas descubrieron nuevas sustancias y
elementos como bismuto, platino, fósforo, níquel, magnesio y otros, pero aún sin tener claro cuales eran elementales
y cuales eran compuestos.
No fue sino hasta la formulación
de las leyes de conservación de las masas y de los elementos propuestas por
Lavoisier a fines del siglo XVIII, cuando se adquirió una noción clara de lo
que debía considerarse un elemento químico, es decir que aquello que no puede
descomponerse en nada más sencillo y además permanece inalterable en los
fenómenos químicos.
Así hacia fines del siglo XVIII
y principios del siglo XIX se reconocieron y descubrieron más de 40 elementos,
entre ellos: hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, cloro, uranio, titanio, cromo,
sodio, potasio, calcio, yodo, silicio, aluminio, etc.
Ya desde la antigüedad se
distinguían las sustancias metálicas de las demás porque se les podían dar
forma mediante golpes de martillo, eran maleables, dúctiles, se fundían al
calor, se aleaban entre sí, etc. pero ahora era posible distinguir cuales de
esos materiales metálicos eran verdaderos elementos químicos y así se clasifican
estos en dos grupos, los metales que reunían esas características y además eran
buenos conductores del calor y de la electricidad y formaban iones positivos en
los compuestos, y los No-metales que tenían características generalmente
opuestas.
Sin embargo la gran cantidad de
elementos que ya se conocían y se seguían descubriendo hacía necesaria una
mejor clasificación. Así aparecieron las tríadas de Döbereiner (que los
clasificaba en grupos de tres elementos) y las octavas de Newlands (que los
ordenaba en períodos de ocho elementos a partir de los cuales las propiedades
comenzaban a repetirse). Finalmente en 1869 Dmitri Mendeléyev (o Mendeleiev)
publica su obra “Principios de Química” en la cual incluía la “Ley de la
Clasificación Periódica” y proponía su Tabla. Según esta ley, “las propiedades químicas de los elementos y
muchas de sus propiedades físicas son función periódica de sus masas atómicas.”
Es decir que al ordenar los elementos según el orden creciente de sus masas
atómicas, se ve que después de un cierto número, las propiedades comienzan a
repetirse y se pueden agrupar en columnas de propiedades similares
constituyendo así una tabla. Mendeleiev armó esta tabla siguiendo dos
intuiciones: en primer lugar alteró el orden de las masas de algunos elementos
para respetar su pertenencia a un determinado grupo y en segundo lugar dejó
algunos casilleros vacíos sosteniendo que allí irían elementos que aún no se
habían descubierto. Esta capacidad predictiva le dio mucha importancia a esta
nueva ley y los textos de Mendeleiev se divulgaron por todo el mundo. En pocos
años los casilleros vacíos se fueron ocupando con nuevos elementos que se
descubrieron como el Galio (Ga) y el germanio (Ge) y además hubo que agregar
una nueva columna para los gases inertes (no prevista por Mendeleiev porque no
conocía a ninguno de ellos). Hacia fines del siglo XIX, con el conocimiento de
la estructura interna del átomo que veremos más adelante, se hizo evidente que
el Número Atómico (Z), es decir la cantidad de protones de los átomos, era una
característica más distintiva del elemento que su masa atómica. A principios
del siglo XX Henry Mosseley modificó parcialmente la ley de Mendeleiev para
sostener que “las propiedades de los
elementos son función periódica de sus Números Atómicos” solucionando así
el problema de las alteraciones en el orden de la Tabla original. Con algunas
modificaciones menores, esta tabla es la que se utiliza en la actualidad.
La Tabla Periódica es entonces
la clasificación de los elementos químicos en orden creciente de sus números
atómicos y agrupados según sus propiedades químicas. Tiene una estructura
característica formada por: 18 grupos o columnas verticales, 7 períodos o filas
horizontales, 4 sectores y 3 bloques.
En cada celda o casillero de la
Tabla se incluye un solo elemento químico y se anotan de él su nombre, símbolo,
número atómico, masa atómica relativa y configuración electrónica entre otros
datos que pueden aparecer según la
edición como el estado de oxidación, la densidad, el punto de fusión, el de
ebullición, el estado de agregación o la estructura cristalina.
Estudiaremos en clase con mayor
detalle esta Tabla y su relación con la estructura del átomo.