La tabla periódica fue el avance más importante de la química.

Por Dennis Rouvray

12 de febrero de 1994, actualizado el 10 de enero de 2019

Cuando el novelista francés Balzac escribió "sin números, todo el edificio de nuestra civilización se derrumbaría", podría haber estado anticipando una idea del químico ruso Dmitri Mendeleyev. El 17 de febrero de 1869, Mendeleyev anotó los símbolos de los elementos químicos y los ordenó según sus pesos atómicos. Escribió la secuencia de tal manera que terminaron agrupadas en la página según regularidades conocidas o "periodicidades" de comportamiento. Fue quizás el mayor avance en la historia de la química.

Las ideas de Mendeleyev cambiaron totalmente la forma en que los químicos veían su disciplina. Ahora cada elemento químico tenía su número y posición fija en la tabla, y a partir de ahí era posible predecir su comportamiento: cómo reaccionaría con otros elementos, qué tipo de compuestos formaría y qué tipo de propiedades físicas tendría. .

Pronto, Mendeleyev predijo las propiedades de tres elementos (galio, escandio y germanio) que aún no habían sido descubiertos. Estaba tan convencido de la solidez de su ley periódica que dejó huecos para estos elementos en su tabla. Al cabo de veinte años, se habían encontrado los tres y sus propiedades confirmaron sus predicciones casi exactamente.

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El propio Mendeleyev se sorprendió por la rapidez con la que se confirmaron sus ideas. En una prestigiosa conferencia Faraday ante la Royal Institution de Londres en 1889, admitió que no esperaba vivir lo suficiente "para mencionar su descubrimiento a la Sociedad Química de Gran Bretaña como una confirmación de la exactitud y generalidad de la ley periódica". . A medida que comenzaron a difundirse las noticias de su notable logro, Mendeleyev se convirtió en una especie de héroe y el interés por la tabla periódica se disparó.

En total, Mendeleyev predijo 10 elementos nuevos, de los cuales todos menos dos resultaron existir. Más tarde propuso invertir las posiciones de algunos pares de elementos adyacentes para que sus propiedades encajaran en el patrón periódico. Sugirió cambiar el cobalto por níquel y el argón por potasio, que en su opinión se habían colocado incorrectamente porque sus verdaderos pesos atómicos eran diferentes de los valores que habían determinado los químicos. Hubo que esperar hasta 1913, unos seis años después de la muerte de Mendeleyev, para aclarar esta ambigüedad. Para entonces, los químicos habían adquirido una comprensión mucho mejor del átomo, y ese año el físico Henry Moseley, que trabajaba en Manchester, demostró que la posición de un elemento en la tabla no está gobernada por su peso atómico sino por su número atómico.

El número atómico de un elemento define el número de protones en su núcleo atómico, que en un átomo neutro es igual al número de electrones que lo rodean. Moseley demostró que la frecuencia característica de los rayos X generados por un elemento particular está directamente relacionada con su número atómico. Una fuente de confusión para Mendeleyev fue que el peso atómico que miden los químicos es un promedio de los pesos ligeramente diferentes de todos los diferentes isótopos de un elemento. (Los isótopos tienen la misma cantidad de protones, pero diferente cantidad de neutrones).

Sin embargo, la intuición de Mendeleyev había sido correcta y el número atómico se utilizó con éxito para asignar un lugar en una tabla ampliada a los gases nobles (helio, neón, argón, criptón, radón y xenón) que se habían descubierto en la década de 1890. Estos elementos son tan poco reactivos que no se podía combinar con ningún otro elemento en el momento de su descubrimiento, por lo que conocer sus propiedades químicas estaba fuera de discusión.

Los elementos más pesados ​​se colocaron de manera similar. Estos comprenden principalmente la serie de lantánidos de 15 elementos, descubierta a partir de la década de 1840, que comienza con el lantano, elemento 57, y los 15 actínidos radiactivos descubiertos en este siglo, que comienzan con el actinio, elemento 89. La química de cada serie de estos elementos cambia sólo muy ligeramente al aumentar el número atómico, por lo que habría tenido grandes problemas para ubicarlos en su tabla periódica.

Hoy en día, cualquiera que tenga un mínimo contacto con la química recurre a la tabla periódica y, aparte de la necesidad ocasional de añadir algún que otro elemento artificial recién descubierto más allá de la serie de actínidos, parece haber alcanzado su forma final. Pero esto no impidió que Leland Allen, profesor de química en la Universidad de Princeton, anunciara en 1992 que la mesa debería ampliarse a una dimensión adicional. Allen reconoce que la tabla periódica es el instrumento organizativo más poderoso que tienen los químicos, pero sostiene que no ofrece ninguna definición de enlace químico; tampoco proporciona ninguna información sobre la energía de los átomos, aunque esto les dice mucho a los químicos sobre cómo es probable que se comporte un elemento.

La nueva dimensión de Allen tiene que ver con los electrones más externos o de "valencia" de un átomo, que son responsables de los enlaces químicos. A los químicos les resulta conveniente imaginarse un átomo como un núcleo rodeado por electrones dispuestos en capas concéntricas o "capas" de diferentes energías. Utilizando la mecánica cuántica, Allen calculó la energía promedio de los electrones en la capa de valencia, a la que llamó "energía de configuración". Un CE grande significa que habrá una gran separación de energía entre los niveles de energía en los átomos o las bandas de energía en los sólidos. Los materiales con una banda prohibida grande son aislantes. Allen ha utilizado sus cálculos para cuantificar la región 'metaloide' que zigzaguea a través de la tabla periódica (ver Figura 1), dividiendo los elementos que son metales de los que no son metales. Estos metaloides son boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio y telurio.FIG-mg19123901.jpg

Allen también pretende predecir qué tipo de enlace se producirá entre átomos particulares y, por tanto, cuáles podrían ser las propiedades del compuesto formado. Selecciona cada fila de la tabla periódica por turno y organiza cada combinación posible de átomos de la fila en una matriz triangular (ver Figura 2). Los vértices del triángulo corresponden a enlaces iónicos puros, covalentes puros y metálicos puros. Las áreas dentro del triángulo representan distintas combinaciones de estos tipos de enlaces. Cerca del centro de cada borde se encuentran materiales química y físicamente interesantes: semiconductores en el borde MC, materiales poliméricos en el borde IC y las llamadas fases Zintl, que tienen conductividades inusuales, en el borde MI. A partir del CE de cada átomo, Allen calcula la diferencia CE para cada una de las posibles combinaciones de dos átomos y luego promedia la diferencia CE para cada fila horizontal del triángulo. De esta manera ha generado una escala que representa la variación gradual en las propiedades de los compuestos dentro del triángulo y la ha utilizado para hacer algunas predicciones útiles del comportamiento de los compuestos, como sus propiedades electrónicas.FIG-mg19123902.jpg

Pero no todo el mundo cree que sea necesario un enfoque tan radical. El químico ruso A. Godovikov y su colega japonés Y. Hariya en el Museo Mineralógico de Moscú han examinado la tabla periódica desde otro ángulo en su intento de hacerla más predictiva y precisa. Clasificaron todos los elementos según un número que calcularon dividiendo la energía de ionización de cada átomo por el tamaño del ion positivo con carga única. Descubrieron que podían utilizar esta proporción para clasificar todos los elementos en 13 grupos. Los compuestos dentro de cada grupo tienen una química cristalina distintiva y forman tipos particulares de compuestos. Algunos de estos grupos son idénticos a las columnas verticales de la tabla periódica clásica. Pero también identificaron algunos grupos nuevos, como el circonio, el niobio, el hafnio y el tantalio, que son particularmente buenos para formar complejos.

Cualquiera que sea el resultado del debate sobre cómo ampliar la tabla periódica de los elementos, varios químicos han comenzado a construir y utilizar tablas periódicas, no de elementos, sino de compuestos y moléculas. De hecho, esta idea no es nueva. Ya en 1862, el químico inglés John Newlands propuso una tabla periódica para las moléculas orgánicas. Incluso Mendeleyev hizo un gran uso del comportamiento de los óxidos metálicos y otros compuestos para decidir dónde colocar elementos particulares en su tabla.

Uno de los principales arquitectos de las tablas periódicas moleculares es Ray Hefferlin, físico del Colegio Adventista del Séptimo Día del Sur en Collegedale, Tennessee. Hefferlin ha desarrollado dos tipos de sistemas periódicos: sistemas "físicos", en los que todas las moléculas contienen el mismo número de átomos, y sistemas "químicos" de moléculas con diferente número de átomos.

Ya a finales de los años 70, Hefferlin propuso un sistema periódico completo para todas las moléculas diatómicas, que se divide en 15 bloques tridimensionales. Una dimensión de cada bloque se obtiene sumando los números de fila en la tabla periódica de los átomos constituyentes y las otras dos provienen de los números de columna de los dos átomos individuales (ver Figura 3).FIG-mg19123903.jpg

Entre las propiedades que se ha observado que son periódicas en los bloques de Hefferlin se encuentran la distancia entre los dos átomos de la molécula, las frecuencias a las que las moléculas absorben varios tipos de luz, la energía necesaria para eliminar un electrón de la molécula y una Medida de cómo las moléculas se dividen entre octanol y agua. El año pasado, el equipo de investigación de Hefferlin completó su trabajo en un sistema similar pero aún más masivo para moléculas triatómicas. Para ello necesitaron un total de 25 bloques para acomodar las diferentes combinaciones de átomos.

Ahora es posible inferir muchas de las propiedades de los compuestos diatómicos y triatómicos a partir de estos sistemas periódicos. El científico chino Fanao Kong, de la Universidad Tecnológica de Hefei (China), incluso ha propuesto un sistema para moléculas tetraatómicas. Es más sencillo que el de Hefferlin y se basa en sumar los números de grupo y período de todos los átomos constituyentes. Los dos conjuntos de números se utilizan para crear una cuadrícula cuyas columnas revelan, por ejemplo, cómo varía el carácter metálico.

Las tablas periódicas químicas suelen ser más pequeñas que estas estructuras bastante grandiosas. A principios de este año, Bruce King, de la Universidad de Georgia, ideó una tabla para agrupaciones neutras de carbonilo de osmio en la que las moléculas de monóxido de carbono se unen a triángulos de átomos de osmio. Los grupos de carbonilo de osmio y grupos similares que involucran elementos estrechamente relacionados, como el platino, son importantes porque estos metales se utilizan como catalizadores en la industria química. Uno de los ejes de la tabla es el número de átomos de metal en el grupo, mientras que el otro representa el número de enlaces metal-metal. Esta tabla enumera los nueve grupos de carbonilo de osmio conocidos, desde Os3(CO)12 hasta Os7(CO)21, y predice ocho nuevos que los químicos aún tienen que crear.

Algunos químicos también han intentado construir tablas periódicas para moléculas orgánicas. Milan Randic, de la Universidad de Iowa, se ha centrado en los isómeros de diversos hidrocarburos, incluidos los octanos, que son componentes de la gasolina. Su tabla de 18 miembros se construye utilizando una técnica matemática derivada de la teoría de grafos y se basa en el número de enlaces en el esqueleto molecular. Utiliza la tabla para predecir propiedades como la densidad y el octanaje, que muestra con qué eficiencia se quema la gasolina en el motor de un automóvil.

Mientras tanto, Jerry Dias de la Universidad de Missouri en Kansas City ha estado trabajando en hidrocarburos bencenoideos, cuyas moléculas incluyen uno o más anillos de benceno de seis carbonos y varios anillos de cinco carbonos. Los bencenoides tienen muchos usos, que van desde pigmentos fotocromáticos, agentes fluorescentes y componentes básicos en la síntesis de sustancias químicas orgánicas hasta aditivos antiestáticos para plásticos. Algunos, como el benzo(a)pireno, que proviene de la quema de combustibles fósiles, son cancerígenos. Los químicos han sintetizado sólo alrededor de 500 bencenoides, menos del 0,03 por ciento del total teórico, pero Dias los ha clasificado a todos en una tabla periódica molecular gigante. La tabla ordena las moléculas según la forma compacta en que se unen los anillos de carbono de seis miembros. Lo ha utilizado para predecir cuatro niveles de reactividad química en los bencenoides. Durante los últimos dos años, Dias ha ampliado este trabajo a otras familias de moléculas, incluidos los grupos de fullereno.

Mendeleyev se habría sentido intrigado por estos intentos de ampliar y ampliar sus ideas. Pero ninguno de ellos puede igualar sus intentos pioneros de predicción. Su trabajo sigue siendo la piedra angular indiscutible de la química.

Dennis Rouvray es profesor investigador de química en la Universidad de Georgia, Estados Unidos.

Este artículo se actualizó el 10 de enero de 2019 con un nuevo titular. Se publicó anteriormente el 12 de febrero de 1994 con el título “Elemental, mi querido Mendeleyev: la química sin la tabla periódica es tan difícil de imaginar como navegar sin brújula. Pero eso no ha impedido que algunos químicos intenten mejorarlo”.

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