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Capítulo 5Capítulo 5

Propiedades periódicas de los Propiedades periódicas de los elementoselementos

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La tabla periódica de los elementos

• En ella, los elementos se encuentran organizados de acuerdo a sus propiedades físicas y químicas. Históricamente, numerosas personas han hecho esfuerzos. A finales del Siglo XIX:– Dobereiner: “triadas”: Ca,Sr,Ba; Li, Na, K.– Newlands: similaridad entre cada octavo

elemento. – Mendeleev (1870): organizó los elementos de

acuerdo a su masa atómica. Elementos similares se organizaron juntos en un “grupo”.

..

Triadas de elementos

Los pesos atómicos del elemento central de cada triada de elementos tienen valores numéricos situados a medio camino entre los correspondientes y los otros elementos de la triada.

Mendeleev• Padre de la tabla periódica.

• Ley periódica: las propiedades, tanto físicas como químicas, de los elementos varían periódicamente al aumentar la masa atómica.

• Una excepción fue la ubicación de Te (M = 127.6) antes del I (M=126.9) porque las propiedades de Te eran similares a las de Se y S, en tanto que I se asemeja a Cl y Br.

• Dejó algunos huecos en la tabla, prediciendo la existencia de elementos que aún no habían sido descubiertos. Más aún, predijo incluso las propiedades de estos nuevos elementos.

Periodicidad

– Meyer (1870): organizó los elementos de acuerdo a sus propiedades físicas.

– Los elementos cambiaban gradualmente de propiedades en una fila o periodo.

– Moseley (1930): organizó los átomos de acuerdo a su número atómico (carga nuclear). Encontró una correlación directa entre la raíz cuadrada de la energía del rayo x y la carga nuclear (número atómico). La carga nuclear aumenta por unidad para cada elemento.

Seaborg ubicó los actínidos bajo los lantánidos

• Los elementos de transición interna se encuentran entre los elementos del grupo IIA y los elementos de transición.

• Los lantánidos (La-Lu) están entre Ba y Tl.• Los actínidos (Ac-Lr) se hayan entre Ra y Rf.• Estos elementos en ocasiones se ubican debajo

del resto de la tabla para ahorrar espacio.• La disposición de Seaborg permitió predecir las

propiedades de los recientemente descubiertos actínidos, en base a las propiedades de los lantánidos.

Periodos de elementos

• Un periodo de elementos es una fila horizontal de la tabla periódica.

• Las propiedades de los elementos varían a medida que se avanza de izquierda a derecha a través de los periodos.

• A la izquierda, la tabla periódica comienza con metales brillantes y reactivos, seguidos de sólidos opacos y no metales reactivos. Cada periodo termina en un gas noble incoloro.

Electrones de valencia

• El primer elemento de cada periodo comienza con un electrón de valencia. El número de electrones se incrementa a medida que se avanza de izquierda a derecha por cada periodo.

• Los cambios periódicos en las propiedades de los elementos coinciden con su ubicación en la tabla periódica.

Grupos y familias• Las columnas verticales de elementos de

la tabla periódica se llaman grupos o familias de elementos.

• Los elementos del mismo grupo o familia poseen propiedades químicas similares.

• Los elementos representativos son aquellos en los primeros dos grupos y los últimos seis grupos en la tabla periódica. Estos grupos se denominan 1, 2,13-18 o elementos del grupo A.

Las configuraciones electrónicas pueden ser determinadas a partir de la posición

en la tabla periódica

• Elementos en el grupo 1(1A) terminan en ns1.• Elementos en el grupo 2 (2A) terminan en ns2

• Elementos en el grupo 13 (3A) terminan en ns2np1






Elementos de transición

• Existen múltiples excepciones:

• Grupo 5: ns2(n-1)d3 V, Ta, Db– Nb es 5s14d4

• Grupo 9: ns2(n-1)d7 Co, Ir, Mt– Rh es 5s14d8

Tendencias periódicas de las propiedades de los elementos

• Varias propiedades elementales cambian de forma bastante gradual a lo largo de un periodo o al descender por un grupo.

• Estas propiedades incluyen:– Radios atómico e iónico.– Energía de ionización.– Puntos de fusión y ebullición.– Densidad y conductividad.

Tamaño atómico de los elementos

– El tamaño atómico se basa en una distancia media entre los electrones externos y el núcleo.

– Una medida del tamaño atómico es el radio atómico (RA).

– El RA de un elemento dado varia de substancia a substancia.

– El RA disminuye a medida que se avanza de izquierda a derecha a través de un periodo.

– El RA se incrementa al descender por un grupo.

Tendencias del radio atómico

El tamaño atómico es una propiedad periódica, como indica la gráfica que muestra el radio atómico en función del número atómico de los elementos de los periodos 2, 3, 4 y 5. (No se incluye el tamaño de los metales de transición).

Tamaño relativo de los átomos

Radios atómicos de los elementos representativos expresados en picómetros.

Tendencias periódicas del tamaño atómico

Tendencias generales del tamaño atómico.

Tamaño iónico

• Cuando se forman aniones, se ganan electrones y se incrementa el radio.

• Cuando se forman cationes, se pierden electrones y disminuye el radio.

• Los radios iónicos disminuyen al descender por un grupo.

• Avanzando de izquierda a derecha a través de un periodo, el radio iónico disminuye para los cationes, aumenta para los aniones y luego disminuye.

Radio iónico de átomos e iones isoelectrónicos

• Cuando el cloro forma un anión al sumar un electrón, posee la misma configuración de electrones que el gas noble, argón [Ar]. El radio de un ión cloruro es mayor que el átomo de cloro. Es también mayor que el átomo de argón.

• Cuando el potasio forma un catión al perder un electrón, también posee la misma configuración de electrones que el argón, aunque el radio del catión de potasio es menor que el átomo de potasio. Es también menor que el átomo de argón.

• Para los iones isoelectrónicos, el radio disminuye a medida que la carga nuclear se incrementa.

Comparando el tamaño de átomos e iones

El radio de un ión metálico es de aproximadamente la mitad del radio del átomo metálico correspondiente. El radio de un ión no metálico es de aproximadamente el doble del radio del átomo no metálico correspondiente.

Energía de ionización

• Energía de ionización (EI)– Es la cantidad de energía necesaria para

extraer un electrón de un átomo gaseoso en su estado basal.

– Na + EI Na+ + e- • La EI se incrementa (irregularmente) al

avanzar de izquierda a derecha a través de un período.

• La EI disminuye (irregularmente) al descender por un grupo.

Tendencia de la energía de ionización

La variación de la energía de ionización es una propiedad periódica. Las primeras energías de ionización se indican aquí en kilojoules por mol.

Tendencias periódicas de la energía de ionización

La energía de ionización de los elementos de un periodo aumenta con el número atómico. Dentro de un mismo grupo, la energía de ionización disminuye conforme el número atómico aumenta.

Puntos de fusión y ebullición• Las tendencias en los puntos de fusión y

ebullición pueden ser usadas como una medida de las fuerzas de atracción entre átomos o moléculas.

• Dentro de los halógenos (grupo 17 ó VIIA) los puntos de fusión y ebullición se incrementan por lo que a temperatura ambiente, el flúor y cloro son gases, el bromo es un líquido y el yodo es un sólido a medida que se desciende por este grupo periódico.

• Esto indica que las fuerzas intramoleculares se vuelven más fuertes al descender por el grupo.

Tendencias de los puntos de fusión y ebullición

• En el grupo IA, hay una disminución de los puntos de fusión y ebullición al descender por el grupo.

• Esto se debe a un debilitamiento de los enlaces metálicos.

Tendencias del punto de fusión por periodo

• En el segundo periodo, los puntos de fusión se incrementan a medida que se avanza de izquierda a derecha a lo largo del periodo para los primeros cuatro elementos.

• Los puntos de fusión luego disminuyen drásticamente para el nitrógeno, el oxígeno y el flúor, todos ellos moléculas diatómicas.

• El punto de fusión más bajo es el del neón, que es monoatómico.

Tendencias del punto de fusión por periodo

• Al moverse de izquierda a derecha a través de un periodo, los puntos de fusión se incrementan a medida que las fuerzas de atracción cambian desde enlaces metálicos con electrones libres, a sólidos como el carbono y el silicio, donde los electrones están sujetos en una red compleja.

• Después, los puntos de fusión descienden bruscamente en los no metales, que tienen fuerzas de atracción muy débiles.

Puntos de fusión de los elementos

Tendencias de la densidad

• La densidad de los elementos se incrementa en un grupo a medida que el número atómico aumenta.

• En un mismo periodo de elementos, la densidad aumenta primero y luego disminuye.

• Los elementos con mayor densidad se encuentran al centro del periodo 6.

Densidad de los elementos

Tendencias en conductividad

• Todos los metales son buenos conductores tanto de la electricidad como del calor.

• Los mejores conductores son (en este orden):

Ag > Cu > Au > Al > Ca > Na > Mg

• Los no metales no son conductores.

Grupo IA, metales alcalinos• Sus elementos incluyen: litio, Li; sodio, Na; potasio, K;

rubidio, Rb; cesio, Cs; y francio, Fr.• Se caracterizan por:

– Color gris plateado.– Buenos conductores de calor y electricidad.– Reactivos frente al agua, oxígeno y otros elementos.– No se les encuentra como elementos libres en estado

natural.– Se almacenan en recipientes al vacío o inmersos en

queroseno.– Na es el sexto elemento y K el séptimo en abundancia

en la corteza terrestre.

Grupo 1 ó IA

Los metales alcalinos

Compuestos del grupo IIA• El carbonato de calcio, CaCO3, es el compuesto que

forma la greda, la piedra caliza, el mármol y la calcita.

• La cal, el cemento, los huevos y los depósitos de conchas marinas son ricos en calcio.

• El magnesio metálico se emplea en el polvo de iluminación instantánea, en las bombillas fotográficas y en aleaciones de aluminio.

• Las “aguas duras” contienen iones de Ca2+ y Mg2+.• El berilio se encuentra en compuestos y es tóxico.• Los compuestos de bario se utilizan extensamente

en pigmentos blancos.• El radio es radioactivo.

Grupo 2 ó IIA

Los metales alcalinotérreos

Grupo IIIA

• El primer elemento de este grupo es el boro, B, un metaloide de punto de fusión muy alto y propiedades en las que predomina el carácter no metálico.

• Los demás elementos de este grupo son aluminio, Al; galio, Ga; indio, In y talio,Tl.

• La densidad y el carácter metálico aumentan con el número atómico.

• Todos ellos forman iones con carga positiva (+3).

Grupo 13 ó IIIA

Grupo IVA, la familia del carbono

• Sus elementos son carbono, C; silicio, Si; germanio, Ge; estaño, Sn, y plomo, Pb.

• El carácter metálico aumenta al incrementarse el número atómico.

• El carbono tiene múltiples alótropos (formas):– Dureza del diamante, cristalino.– Grafito resbaladizo, negro.– Carbón, forma alotrópica no cristalina sin una

distribución atómica definida.– C60, “buckybolas”.– Nanotubos-organización hexagonal.

Grupo 14 ó IVA

Usos del carbono

• Se usa en fibras resistentes.

• CO2, CO y millones de otros compuestos (compuestos orgánicos).

• Sustancias naturales presentes en los seres vivos.

• Productos derivados del petróleo: plásticos, fibras y medicinas.

Grupo VA• Sus elementos incluyen nitrógeno, N; fósforo, P;

arsénico, As; antimonio, Sb; y bismuto, Bi.

• El nitrógeno gaseoso, N2, constituye el 78% en volumen del aire.

• El nitrógeno es un elemento fundamental de todos los aminoácidos que forman las proteínas.

• N2 no es reactivo, pero ciertas bacterias del suelo pueden “fijar” nitrógeno convirtiendo el compuesto en amoniaco, que puede ser absorbido por las raíces de las plantas.

• En escala industrial se combina con H2 para producir amoniaco gaseoso, NH3 (proceso de Haber).

• NH3 se emplea como fertilizante y en la fabricación de ácido nítrico y diversos explosivos.

Grupo 15 ó VA

Grupo VIA, la familia del oxígeno• Sus elementos son oxígeno, O; azufre, S;

selenio, Se; telurio, Te; y polonio, Po.• El oxígeno gaseoso, O2, es esencial para la

vida.– O2 es necesario para quemar combustibles fósiles

y se consume en el metabolismo humano.– O2 constituye el 21% en volumen del aire.

• Constituye el 49% en peso de la corteza terrestre.

• El ozono, O3, es una forma alotrópica del oxígeno.

Grupo 16 ó VIA

Grupo VIIA, los halógenos

• Los halógenos son flúor, F; cloro, Cl; bromo, Br; yodo, I; y astato, At.

• Los halógenos poseen 7 electrones de valencia.• Como elementos, todos los halógenos son diatómicos.• El flúor es un gas reactivo, amarillo pálido.• F se emplea para producir compuestos con carbono

llamados fluorocarbonos. – El teflón es un fluorocarbono.– Otro fluorocarbono es el freón, usado como refrigerante.– Muchos fluorocarbonos dejaron de utilizarse por su efecto

en la capa de ozono.

Grupo 17 ó VIIA

Los halógenos

Grupo VIIIA, los gases nobles

• Los gases nobles son helio, He; neón, Ne; argón, Ar; criptón, Kr, y radón, Rn.

• Todos los gases nobles son gases monoatómicos.

• No son reactivos debido a que su nivel de energía de electrones más externo está totalmente lleno (dos electrones en el caso del helio y ocho en los demás).

• El helio se extrae de pozos de gas natural. Los otros gases nobles se separan del aire licuado.

Grupo 18 ó VIIIA

Los gases nobles

Usos de los gases nobles• Gracias a su baja densidad, el helio se utiliza para

llenar globos y dirigibles.• He y Ar se emplean en la soldadura de arco y en

procesos metalúrgicos para impedir que los materiales reaccionen con el oxígeno y el nitrógeno del aire.

• Ciertas bombillas luminosas y tubos fluorescentes se llenan con una mezcla de argón y nitrógeno, o bien criptón, para prolongar la duración del filamento.

• El neón se utiliza en luces de neón de color anaranjado-rojizo.

• El radón es un gas radiactivo.

Elementos de transición, los elementos del grupo “B”

• Los elementos de transición tienden a ser más duros y quebradizos, con puntos de fusión y ebullición más altos que los demás metales.

• Las densidades, puntos de fusión y ebullición se incrementan al avanzar de izquierda a derecha a través de un periodo.

• Son mucho menos reactivos que los metales alcalinos y los alcalinotérreos.

Los metales de transición

Metales de acuñar• Cobre, Cu; plata, Ag; y oro, Au, son los

llamados metales de acuñar. Los tres son buenos conductores del calor y la electricidad.

• El Cu tiene un color rojizo que se oscurece a medida que reacciona con el oxígeno y los compuestos de azufre del aire.

• Cu se utiliza en monedas, tuberías y aleaciones, como el latón, el bronce y la plata alemana o alpaca.

• Ag se emplea en monedas, joyas, electrónicos, espejos, baterías y químicos para fotografía.

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