Los Elementos Químicos y la Tabla Periódica

Los elementos químicos son sustancias puras que no pueden descomponerse en sustancias más simples. Existe alrededor de un centenar de elementos químicos conocidos. A partir de estos elementos se crea una espectacular variedad de compuestos, como minerales, productos químicos y sustancias bioquímicas. Todos los compuestos conocidos están formados por átomos de elementos combinados entre sí. Para comprender cómo se combinan los elementos, es fundamental conocer sus propiedades.

El Sistema Periódico

El sistema periódico moderno contiene 118 elementos (no 115) organizados en 18 columnas, llamadas grupos o familias, en orden ascendente de número atómico (Z), comenzando por el hidrógeno (Z = 1). El número atómico (Z) determina las propiedades de los elementos. Estas propiedades cambian de forma periódica en el sistema periódico. Los elementos de un mismo grupo tienen una estructura similar en su última capa electrónica. El sistema periódico también se organiza en 7 filas horizontales llamadas períodos. Los elementos de un mismo período tienen el mismo número de capas electrónicas.

Propiedades Periódicas

Las propiedades de los átomos, como la tendencia a ganar o perder electrones, definen las propiedades de los elementos y su posición en la tabla periódica. La tendencia a ganar o perder electrones aumenta al aumentar el número atómico dentro de un grupo y al avanzar hacia la derecha dentro de un período. El carácter metálico es otra propiedad que varía de forma regular. Los metales tienen tendencia a perder electrones.

Estructura Atómica y Diagramas de Lewis

Modelo Nuclear del Átomo

Según el modelo nuclear, el átomo consta de un núcleo y una corteza. El núcleo, que concentra la mayor parte de la masa del átomo, contiene protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga). Los electrones (con carga negativa) giran alrededor del núcleo en capas u órbitas circulares.

Diagramas de Lewis

Los diagramas de Lewis representan de forma sencilla la última capa de electrones de átomos neutros o iones. Los electrones individuales se indican con puntos, y los pares de electrones con dos puntos o un guion. La última capa es la que participa en la formación de enlaces. Cuando los átomos se combinan, tienden a adquirir la estructura del gas noble más cercano, es decir, a completar ocho electrones en su última capa (excepto el hidruro, que adquiere la estructura del helio con dos electrones). Los elementos de la misma familia tienen estructuras de Lewis similares.

Enlaces Químicos

La combinación química entre átomos se produce a través de los electrones de la capa externa, los electrones de valencia. Los átomos se agrupan para alcanzar la máxima estabilidad y, por tanto, una configuración de mínima energía. Los gases nobles tienen una configuración electrónica muy estable, con ocho electrones en su última capa. Los átomos de otros elementos, al unirse, tienden a adquirir la estructura de los gases nobles, lo que se conoce como la regla del octeto.

Tipos de Enlaces

• Enlace iónico: Se produce por la transferencia de electrones de valencia de un átomo a otro. Los iones resultantes, con cargas opuestas, se atraen entre sí.
• Enlace covalente: Se produce por la compartición de electrones de valencia entre dos átomos.
• Enlace metálico: Se produce por la compartición de electrones de valencia entre muchos átomos.

Moléculas y Cristales

Algunos elementos en fase gaseosa forman moléculas diatómicas. Una molécula es la unidad más pequeña de un compuesto que conserva sus propiedades, y está formada por un número limitado de átomos. Sin embargo, los átomos no siempre se agrupan en moléculas definidas. A veces, forman redes cristalinas con una estructura geométrica precisa.

Enlace Iónico

En el enlace iónico, los átomos metálicos ceden electrones a los átomos no metálicos. Este tipo de enlace se da entre elementos que están muy separados en la tabla periódica. Se generan iones con cargas eléctricas opuestas que se atraen mediante fuerzas electrostáticas.

Compuestos Iónicos

Los átomos de metal y los átomos de no metal alcanzan mayor estabilidad al formar iones con la configuración de gas noble (ocho electrones en su última capa). Los iones con cargas opuestas se atraen entre sí.

Cristales Iónicos

Los iones con cargas opuestas se agrupan formando redes cristalinas. Un cristal iónico se forma por la unión entre un metal y un no metal. Los iones ocupan los nodos de la red tridimensional. Existen varios tipos de redes cristalinas iónicas, como la red cúbica y la hexagonal. Por ejemplo, en la red del cloruro de cesio, cada ion cesio está rodeado por ocho iones cloruro, y viceversa. En la red del cloruro de sodio, cada ion sodio está rodeado por seis iones cloruro, y viceversa.

Propiedades de los Compuestos Iónicos

Los compuestos iónicos son muy estables. Son sólidos a temperatura ambiente, no conducen la electricidad en estado sólido, tienen altos puntos de fusión y ebullición, y son duros. Los iones pueden separarse disolviendo el compuesto en agua o fundiéndolo. En estos casos, la sustancia resultante sí conduce la electricidad.

Enlace Covalente

En el enlace covalente, dos átomos comparten uno o más pares de electrones para alcanzar la configuración de gas noble. Los enlaces covalentes se forman entre átomos no metálicos.

Esquemas de Lewis y Enlaces Covalentes

Los enlaces covalentes pueden ser simples, dobles o triples, dependiendo del número de pares de electrones compartidos. Los esquemas de Lewis representan estos enlaces: los electrones se representan con puntos, y los pares de electrones compartidos (enlaces covalentes) se pueden representar con un guion.

Sustancias Moleculares y Cristales Covalentes

Existen dos tipos de compuestos covalentes: sustancias moleculares y cristales covalentes. Las sustancias moleculares están formadas por moléculas unidas entre sí por fuerzas intermoleculares débiles (fuerzas de Van der Waals). Los cristales covalentes son sólidos en los que los átomos están unidos por enlaces covalentes formando una red tridimensional continua (moléculas gigantes). Los átomos en los cristales covalentes no pueden separarse fácilmente.

Propiedades de los Compuestos Covalentes

Los enlaces covalentes entre los átomos en las moléculas son fuertes. Las sustancias moleculares son malas conductoras de la electricidad y tienen puntos de fusión y ebullición bajos debido a las débiles fuerzas intermoleculares. Los cristales covalentes son sólidos a temperatura ambiente, tienen puntos de fusión generalmente altos, son duros, no se disuelven en agua y no conducen la electricidad ni el calor (excepto algunas excepciones como el grafito).

Enlace Metálico

En los metales, los átomos no forman moléculas definidas.

Modelo del Gas Electrónico

En un metal, los electrones de valencia se mueven libremente formando una especie de «nube» o «gas» de electrones. Esta nube electrónica rodea a todos los átomos. Este modelo se denomina modelo del gas electrónico.

Red Metálica

Los átomos en un cristal metálico tienden a empaquetarse de forma compacta, ocupando todos los huecos posibles.

Propiedades de los Metales

Los metales son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio, que es líquido). Conducen bien la corriente eléctrica debido a la movilidad de la nube electrónica. Son dúctiles (se pueden estirar en hilos) y maleables (se pueden laminar en láminas) porque las capas de átomos pueden deslizarse unas sobre otras sin romperse. Tienen puntos de fusión relativamente altos y no son muy solubles.

Aleaciones

Una aleación es una mezcla de dos o más metales, o de un metal y otros elementos, que se funden y disuelven entre sí a altas temperaturas. Al enfriarse, se obtiene la aleación. Una aleación es una solución sólida formada por varios elementos en una red metálica. Al menos uno de los elementos debe ser un metal. Las aleaciones suelen tener mejores propiedades que los metales puros.

El Mol y Conceptos Relacionados

Mol

Un mol es la cantidad de sustancia que contiene tantas partículas (átomos, moléculas, iones, etc.) como átomos hay en 12 gramos de carbono-12, es decir, 6,022 x 10²³ partículas (Número de Avogadro). La masa de un mol de átomos de un elemento (en gramos) es numéricamente igual a su masa atómica. La masa molar de un compuesto (en gramos) es numéricamente igual a su masa molecular.

Masa Molecular

La masa molecular de un compuesto es la suma de las masas atómicas de los elementos que lo componen. Se expresa en unidades de masa atómica (u). Para los compuestos covalentes, la masa molecular se calcula sumando las masas atómicas de los átomos de una molécula. Por ejemplo, la masa molecular del ácido clorhídrico (HCl) es la suma de la masa atómica del cloro (35,5 u) y la masa atómica del hidrógeno (1 u): 36,5 u. En los compuestos iónicos, se calcula la masa fórmula, que es la suma de las masas atómicas de los átomos que componen la fórmula unitaria. Por ejemplo, la masa fórmula del yoduro de potasio (KI) es la suma de la masa atómica del potasio (39 u) y la masa atómica del yodo (127 u): 166 u.

Composición Porcentual

La composición porcentual de un compuesto indica la cantidad (en porcentaje) de cada elemento presente en 100 g del compuesto.

Volumen Molar

El volumen molar de un gas es el volumen ocupado por un mol de cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura. En condiciones normales (273 K o 0 °C y 1,013 x 10⁵ Pa o 1 atm), el volumen molar de un gas es 22,4 L/mol.

Concentración Molar (Molaridad)

La concentración de una disolución se puede expresar de varias formas, como porcentaje en masa (por ejemplo, una disolución de hidróxido de sodio al 4% contiene 4 g de NaOH en 100 g de disolución) o porcentaje en volumen (por ejemplo, alcohol al 96% significa que hay 96 mL de alcohol puro en 100 mL de disolución). También se puede utilizar la molaridad o concentración molar, que indica el número de moles de soluto por litro de disolución. Por ejemplo, una disolución 0,01 M contiene 0,01 moles de soluto por litro de disolución (0,01 mol/L).