Sistema Periodico de los elementos

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Un elemento es una sustancia constituida por átomos con el mismo número atómico. Algunos elementos comunes son oxígeno, nitrógeno, hierro, cobre, oro, plata, hidrógeno, cloro y uranio. Aproximadamente el 75% de los elementos son metales y los otros son no metales. La mayor parte de los elementos son sólidos a temperatura ambiente, dos de ellos (mercurio y bromo) son líquidos y el resto son gases. Pocos elementos se encuentran en la naturaleza en estado libre (no combinados), entre ellos el oxígeno, nitrógeno; los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón); azufre, cobre plata y oro. Los más de los elementos se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos formando compuestos.

Los elementos están clasificados en familias o grupos en la tabla periódica. También se clasifican en metales y no metales. Un elemento metálico es aquel cuyos átomos forman iones positivos en solución, y uno no metálico aquel que forma iones negativos en solución.

Los átomos de un elemento tienen el mismo número atómico, pero no necesariamente el mismo peso atómico. Los átomos con el mismo número atómico, pero diferentes pesos, se llaman isótopos. Todos los elementos tienen isótopos, aunque en ciertos casos sólo se conocen los isótopos sintéticos. Muchos de los isótopos de los diferentes elementos son inestables, o radiactivos, y por ende se desintegran para forma átomos estables, del mismo elemento o de algún otro.

Se cree que los elementos químicos son resultado de la síntesis por procesos de fusión a muy altas temperaturas (en el orden de los 100 000 000ºC o 180 000 000ºF y superiores). La fusión de las partículas nucleares simples (protones y neutrones) lleva primero a núcleos atómicos como el helio y luego a los núcleos más pesados y complejos de los elementos ligeros (litio, boro, berilio y así sucesivamente). Los átomos de helio bombardean a los átomos de elementos ligeros y producen neutrones. Los neutrones son capturados por los núcleos de los elementos y producen otros más pesados. Estos dos procesos -fusión de protones y captura de neutrones- son los procesos principales con que se forman los elementos químicos.

Se han sintetizado varios elementos presentes solamente en trazas o ausentes en la naturaleza. Son el tecnecio, prometio, astatinio, francio y todos los elementos con números atómicos superiores a 92.

Abundancia cósmica. La abundancia de los elementos en las rocas de la Tierra, la Tierra en general, los meteoritos, el sistema solar, las galaxias o todo el universo, corresponde al promedio de las cantidades relativas de los elementos químicos presentes o, en otras palabreas, ala composición química promedio. La abundancia de los elementos está dada por el número de átomos de un elemento de referencia. El silicio comúnmente se toma como el elemento de referencia en el estudio de la composición de la Tierra y los meteoritos, y los datos están dados en átomos por 10 6 átomos de silicio. Los resultados de las determinaciones astronómicas de la composición del Sol y las estrellas con frecuencia se expresan en átomos por 10 10 átomos de hidrógeno. Los análisis químicos ordinarios, entre ellos las técnicas avanzadas para estudios de trazas de elementos (tales como activación neutrónica o dilución isotópica), sirven para determinar la composición de rocas y meteoritos. La composición del Sol y las estrellas puede obtenerse de análisis espectroscópicos cuantitativos. Los elementos más abundantes en la superficie de la Tierra son oxígeno, silicio, magnesio, calcio, aluminio, así como el hierro. En el universo, el hidrógeno y el helio constituyen más del 95% de la materia total.

La composición isotópica de los elementos es casi la misma en todo el material terrestre y en los meteoritos. La abundancia nuclear de los isótopos se puede calcular de la composición isotópica de un elemento y de su abundancia cósmica.

Los valores de abundancia nuclear muestran una clara correlación con ciertas propiedades nucleares, y puede suponerse que son una buena aproximación de la distribución del rendimiento original del proceso termonuclear que provocó la formación de los elementos. Los valores empíricos de abundancia pueden así servir de base para consideraciones teóricas acerca del origen de la materia y del universo y han conducido a la siguiente conclusión: no existe un mecanismo único y simple por el cual puedan haberse formado los elementos, con su composición isotópica observada. La materia del cosmos parece ser una mezcla de material formado en diferentes condiciones y tipos de procesos nucleares.

Distribución geoquímica. La distribución de los elementos químicos en las principales zonas de la Tierra (corteza, manto, núcleo) depende de la historia remota y de la evolución subsecuente tanto de la Tierra como del sistema solar. Dado que estos eventos ocurrieron hace largo tiempo y no hay evidencia directa de lo que en realidad sucedió, hay mucha especulación en la explicación actual de la distribución de los elementos en las principales zonas de la Tierra.

Antes de que evolucionara el sistema proto-solar para formar el Sol y los planetas probablemente fue una gran nube de gas, polvo y alguna otra materia en forma de lente y girando.

El interior de esta nube, contraída y calentada en un inicio por atracción gravitacional, elevó su temperatura y presión lo suficiente para iniciar las reacciones nucleares, generando luz y calor. La materia en los remolinos dentro de las zonas periféricas de la nube, con el tiempo coalesció y formó los planetas individuales. Porciones de elementos ligeros más volátiles (como N, C, O e H) escaparon del interior más caliente del sistema y fueron enriquecidos en los grandes planetas externos menos densos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Los elementos más pesados, menos volátiles (como Ca, Na, Ng, Al, Si, K, Fe, Ni y S), tendieron a permanecer cerca del centro del sistema y fueron enriquecidos en los pequeños planetas internos más densos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte).

Se piensa que el crecimiento de la Tierra fue de una nube cuya composición era muy parecida a la del tipo de los meteoritos rugosos conocidos como condritas. La proto-Tierra fue probablemente homogénea, esferoide, sin zonas delimitadas, de composición aproximadamente condrítica.

Según la hipótesis de una Tierra sin zonas bien delimitadas y el modelo condrítico, la aleación Ni-Fe formó el núcleo, y las fases remanentes formaron el manto. En una época muy remota de su historia (hace 4-5 x 10 9 años) es probable que tuviera principalmente forma sólida. La mayoría de los estudiosos de la Tierra suponen que un calentamiento posterior, debido a la contracción adiabática y decaimiento radiactivo, originó un extenso fenómeno de fusión, la aleación Ni-Fe, su fundió inicialmente; por su mayor densidad, la aleación se mantuvo en su posición y formó el núcleo. Este evento se conoce como la catástrofe del hierro. Al continuar la fusión habría creado tres líquidos inmiscibles; silicatos, sulfuros y aleaciones. Los silicatos, sulfuros y otros compuestos remanentes podrían haber formado el manto que rodea el núcleo.

La nueva capa oceánica, compuesta principalmente de rocas basálticas, daría lugar a los arrecifes de alta mar (centros de difusión) por medio de una fusión parcial del manto. En relación con el manto, la corteza basáltica está enriquecida en Si, Al, Ca, Na, K y un gran número de elementos iónicos litófilos; pero es pobre en Mg, Fe y ciertos metales de transición (del grupo VIII en particular). El proceso de fusión parcial de la parte superior del manto y la ascensión del magma formaron una nueva corteza, y puede ser el mecanismo dominante para la concentración de los elementos que enriquecieron la capa de la corteza a expensas del manto.

La fusión parcial también ocurrió dentro de la corteza continental, provocando a la formación y ascenso de magmas comparativamente ricos en elementos del manto, y pobre en relación con los elementos de las rocas de las que provienen los magmas. Éstos tienden a moverse hacia arriba con el tiempo, solidificándose en ocasiones y formando parte de la corteza continental con diversas zonas, una superior (sial), teniendo una composición granítica, y una inferior (sima), de composición desconocida, probablemente parecida a la del basalto. La corteza granítica superior es aún más abundante en elementos de la corteza. Modificaciones posteriores de la corteza continental superior pueden ocurrir a través de procesos como la sedimentación climática, el metamorfismo y la diferenciación ígnea.

Elementos actínidos. Actinide elements. Serie de elementos que comienza con el actinio (número atómico 89) y que incluye el torio, protactinio, uranio y los elementos transuránicos hasta el laurencio (número atómico 103). Estos elementos tienen gran parecido químico con los lantánidos, o tierras raras, elementos de números atómicos 57 a 71. Sus números atómicos, nombres y símbolos químicos son: 89, actinio (Ac), el elemento prototipo, algunas veces no se incluye como un miembro real de la serie; 90, torio (Th); 91, protacnio (Pa); 92, uranio (U); 93, neptunio (Np); 94, plutonio (Pu); 95, americio (Am); 96, curio (Cm); 97, berkelio (Bk); 98, californio (Cf); 99, einsteinio (Es); 100, fermio (Fm); 101, mendelevio (Md); 102, nobelio (No); 103, laurencio (Lr).

A excepción del torio y el uranio, los actínidos no están presentes en la naturaleza en cantidades apreciables. Los elementos transuránicos se descurbrieron e investigaron como resultado de sus síntesis en reacciones nucleares. Todos son radiactivos, y con excepción del torio y el uranio, incluso en pequeñas cantidades, deben manejarse con precauciones especiales.

La mayor parte de los actínidos tienen lo siguiente en común: cationes trivalentes que forman iones complejos y quelatos orgánicos; los sulfatos, nitratos, halogenuros, percloratos y sulfuros correspondientes son solubles, mientras que los fluoruros y oxalatos son insolubles en ácidos.

Elementos metaloácidos. Metalloacid elements. Elementos químicos con los siguientes números atómicos y nombres: 23, vanadio, V; 41, niobio, Nb; 73, tántalo, Ta; 24, cromo, Cr; 42, molibdeno, Mo; 74, tungsteno, W; 25, manganeso, Mn; 43, tecnecio, Tc y 75, renio, Re. Estos elementos son un subgrupo integrante de los grupos V, VI y VII de la tabla periódica, respectivamente. En estado elemental todos son metales de alta densidad, alto punto de fusión y baja volatilidad. La clasificación como elementos metaloácidos se refiere al hecho de que sus óxidos reaccionan con el agua para producir soluciones ligeramente ácidas, en contraste con el comportamiento más usual de los óxidos de otros metales que dan soluciones básicas.

Elementos nativos. Native elements. Elementos que aparecen en la naturaleza sin combinarse con otros. Además de los gases libres de la atmósfera, existen alrededor de 20 elementos que se encuentran bajo la forma de minerales en estado nativo. Éstos se dividen en metales, semimetales y no metales. El oro, la plata, el cobre y el platino son los más importantes entre los metales, y cada uno de ellos se ha encontrado en ciertas localidades en forma lo suficientemente abundante para que se exploten como si fueran minas. Otros metales menos comunes son los del grupo del platino, plomo, mercurio, tantalio, estaño y zinc. El hierro nativo se encuentra, en escasas cantidades, lo mismo como hierro terrestre que como procedente de meteoritos.

Los semimetales nativos pueden dividirse en: 1) el grupo del arsénico, que incluye al arsénico, antimonio y bismuto, y 2) el grupo del telurio, que incluye el telurio y el selenio.

Los no metales nativos son el azufre y el carbón en sus formas de grafito y diamante. El azufre nativo es la fuente industrial principal de este elemento.

Elementos de tierras raras. Rare-earth elements. Al grupo de 17 elementos químicos, con números atómicos 21, 39 y 57-71, se le conoce con el nombre de tierras raras; el nombre lantánidos se reserva para los elementos del 58 a 71. El nombre de tierras raras es inapropiado, porque no son ni raras ni tierras.

La mayor parte de las primeras aplicaciones de las tierras raras aprovecharon sus propiedades comunes, utilizándose principalmente en las industrias del vidrio, cerámica, de alumbrado y metalurgia. Hoy, estas aplicaciones se sirven de una cantidad muy considerable de la mezcla de tierras raras tal como se obtienen del mineral, aunque algunas veces esta mezcla se complementa con la adición de cerio o se eliminan algunas de sus fracciones de lantano o cerio.

Estos elementos presentan espectros muy complejos, y los óxidos mezclados, cuando se calientan, dan una luz blanca intensa parecida a la luz solar, propiedad que encuentra su aplicación en arcos con núcleo de carbón, como los que se emplean en la industria del cine.

Los metales de las tierras raras tienen gran afinidad por los elementos no metálicos; por ejemplo, hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo y halogenuros. Cantidades considerables de las mezclas de metales raros se reducen a metales, como el "misch metal", y estas aleaciones se utilizan en la industria metalúrgica. Las aleaciones de cerio y las mezclas de tierras raras se emplean en la manufactura de piedras de encendedor. Las tierras raras se utilizan también en la industria del petróleo como catalizador. Granates de itrio y aluminio (YAG) se emplean en el comercio de joyería como diamantes artificiales.

Aunque las tierras raras están ampliamente distribuidas en la naturaleza, por lo general se encuentran en concentración baja, y sólo existen en alta concentración en las mezclas de cierto número de minerales. La abundancia relativa de las diferentes tierras raras en algunas rocas, formaciones geológicas, astrofísicos y cosmólogos.

Los elementos de las tierras raras son metales que poseen propiedades individuales particulares. Muchas de las propiedades de los metales de las tierras raras y de las mezclas indican que son muy sensibles a la temperatura y la presión. También son diferentes cuando consideramos las medidas entre los ejes cristalinos de los metales; por ejemplo, la conductividad eléctrica, la constante de elasticidad, etc. Las tierras raras forman sales orgánicas con ciertos compuestos quelato-orgánicos. Esto quelatos, que han reemplazado parte del agua alrededor de los iones, aumenta las diferencias en las propiedades entre cada elemento de las tierras raras, lo que se ha aprovechado en los métodos modernos de separación por intercambio iónico.

Elementos de transición. Transition elements. En términos amplios, son los elementos con número atómico del 21-31, 39-49 y 71-81. En la clasificación más estricta de los elementos de transición, preferida por muchos químicos, incluyen sólo los elementos de número atómico 22-28, 40-46 y 72 al 78. Todos los elementos de esta clasificación tienen uno o más electrones en la subcapa parcialmente llena y tienen, por lo menos, un estado de oxidación bien conocido.

Todos los elementos de transición son metales y, en general, se caracterizan por sus elevadas densidades, altos puntos de fusión y bajas presiones de vapor. En el mismo subgrupo, estas propiedades tienden a aumentar con el incremento del peso atómico. La facilidad para forma enlaces metálicos se demuestra por la existencia de una gran variedad de aleaciones entre diferentes metales de transición.

Los elementos de transición incluyen la mayor parte de los metales de mayor importancia económica, como el hierro, níquel y zinc, que son relativamente abundantes por una parte, y, por otra, los metales para acuñación, cobre, plata y oro. También se incluyen elementos raros y poco conocidos, como el renio y el tecnecio, el cual no se encuentra en la Tierra en forma natural, aunque sí en pequeñas cantidades como producto de fisión nuclear.

En sus compuestos, los elementos de transición tienden a exhibir valencias múltiples; la valencia máxima tiende a incrementarse de 3+ en la serie (Sc, Y, Lu) a 8+ en el quinto miembro (Mn, Re). Una de las características más importantes de los elementos de transición es la facilidad con que forman iones complejos y estables. Las características que contribuyen a esta capacidad son la elevada relación carga-radio y la disponibilidad de sus orbitales d parcialmente llenos, los cuales pueden ser utilizados para forma enlaces. La mayor parte de los iones y compuesto de los metales de transición son coloridos, ymuchos de ellos paramagnéticos. Tanto el color como el paramagnetismo se relacionan con la presencia de electrones desapareados en la subcapa d . Por su capacidad para aceptar electrones en los orbitales d desocupados, los elementos de transición y sus compuestos exhiben con frecuencia propiedades catalíticas.

Por lo general, las propiedades de los elementos de transición son intermedias entre los llamados elementos representativos, en que las subcapas están completamente ocupadas por electrones (elementos alcalinos; halógenos), y los interiores o elementos de transición f , en que los orbitales de las subcapas desempeñan un papel mucho menos importante en las propiedades químicas.

Elementos transuránicos. Transuranium elements. Elementos sintéticos con números atómicos superiores al del uranio (número atómico 92). Son miembros de los actínidos, desde el neptunio (número atómico 93) hasta el laurencio (número atómico 103) y los elementos transactínidos (con números atómicos superiores a 103).

El concepto de peso atómico en el sentido que se da a los elementos naturales no es aplicable a los elementos transuránicos, ya que la composición isotópica de cualquier muestra depende de su fuente. En la mayor parte de los casos el empleo de número de masa del isótopo de mayor vida media en combinación con una evaluación de su disponibilidad ha sido adecuado. Buenas elecciones en el momento actual son: neptunio, 237; plutonio, 242; americio, 243; curio, 248; berkelio, 249; californio, 250; einstenio, 254; fermio, 257; mendelevio, 258; nobelio, 259; laurencio, 260; rutherfordio (elemento 104), 261; hafnio (elemento 105), 262 y elemento 106, 263.

Los actínidos son químicamente similares y tienen gran semejanza química con los lantánidos o tierras raras (números atómicos 51-71). Los transactínidos, con números atómicos 104-118, deben ser colocados en una tabla periódica ampliada debajo del periodo de elementos comenzando con el hafnio, número atómico 72, y terminando con el radón, número atómico 86. Esta disposición permite predecir las propiedades químicas de estos elementos y sugiere que tendrán una analogía química, elemento por elemento, con los que aparecen inmediatamente arriba de ellos en la tabla periódica.

Los transuránicos, incluyendo hasta al fermio (número atómico 100), se producen en grandes cantidades por medio de la captura sucesiva de electrones en los reactores nucleares. El rendimiento disminuye con el incremento del número atómico y el más pesado que se produce en cantidades apreciables es el einstenio (número 99). Muchos otros isótopos se obtienen por bombardeo de isótopos blanco pesados con proyectiles atómicos cargados en aceleradores; más allá del fermio todos los elementos se obtienen por bombardeo de iones pesados.

Se predice que los transactínidos que siguen al elemento 106 tendrán una vida media muy corta, pero consideraciones teóricas sugieren una estabilidad nuclear mayor, si se comparan con los elementos precedentes y sucesivos, para una gama de elementos situados alrededor de los números atómicos 110, 115 o 120 a causa de la estabilidad predicha por derivarse de capas nucleares cerradas.

Fuente: http://www.mcgraw-hill.es

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