Pgina |1INSTITUTO NACIONAL DEPTO DE QUIMICA Unidad II y III: Primero Medio TABLA PERIODICA DE LOS ELEMENTOS Y PROPIEDADES PERIDICAS Profesores: Fernando Cacho A. Juan Betanzo G. (1 E, F, G, H, I) Luis Herrera C. (1O, M,N, ) Magdalena Loyola P. (1 J, K, L) Renato Arredondo M. (1A, B, C, D, P) Correo: f.cacho.qui@institutonacional.cl Correo: j.betanzo.qui@institutonacional.cl Correo: l.herrera.qui@institutonacional.cl Correo: m.loyola.qui@institutonacional.cl Correo: r.arredondo.qui@institutonacional.cl

Correo departamento de Qumica: deptodequimica.in@gmail.com I. ANTECEDENTES HISTRICOS

Un prerrequisito para construir la tabla peridica fue descubrir los elementos individuales. En la antigedad eran conocidos slo 11: Au, Ag, Sn, Cu, As, C, Fe, Pb, S, Sb y Hg. El primer descubrimiento cientfico de un elemento ocurri en 1669, el alquimista Hennig Brand de Hamburgo descubri el fsforo. Durante 200 aos un vasto cuerpo de conocimientos sobre las propiedades de los elementos y los compuestos fue adquirido por los qumicos. En el siglo XIX, los qumicos de esa poca tenan una idea vaga de los tomos y molculas, no conocan la existencia de electrones y protones. Ellos construyeron la Tabla Peridica utilizando sus conocimientos de los pesos atmicos. En 1817, Johann Dobereiner presenta la ley de triadas: Ca, Sr, Be tenan propiedades qumicas similares. Ms tarde en 1929, aadi Cl, Br, I y Li, Na, K.

Fig.N1: Tabla de las Triadas de Dbereiner

Pgina |2En 1863, John Newlands ordena 56 elementos en 7 grupos. Ley de octavas. Cada elemento exhiba conducta anloga al octavo elemento siguiente de la tabla.

Figura N2: Tabla que muestra la ley de las octavas propuesta por J. Newlands En 1869 se haban descubierto 63 elementos. Como el nmero de elementos conocido aument. Los cientficos comenzaron a reconocer semejanzas en sus propiedades y empezaron a desarrollar esquemas de clasificacin. En 1869, Dimitri Mendeleev y Lothar Meyer propusieron una tabulacin ms amplia de los elementos basada en la repeticin peridica y regular de las propiedades. La tabla de Mendeleev orden 61 elementos, considerando su masa atmica (peso atmico) ascendente, propiedades fsicas y qumicas. El estableci una Ley Peridica que relaciona las propiedades de los elementos con sus masas atmicas. En 1955 se le dedic el elemento 101, Mendelevio.

Figura N3: Sistema peridico antiguo que contaba con 61 elementos Mendeleev orden los elementos de acuerdo a la masa atmica ascendente, sin embargo, existan algunos elementos que no encajaban en el espacio asignado ya que tenan una masa atmica mayor a la de su elemento sucesor. Mendeleev propuso que si la masa atmica de un elemento lo situaba en un grupo incorrecto, entonces la masa deba estar mal calculada. Estaba tan seguro de la validez de su tabla que predijo, a partir de ella, las propiedades fsicas de 3 elementos (eka-elementos) que eran desconocidos hasta ese momento. Tras el descubrimiento de estos tres elementos (Sc, Ga, Ge) entre 1874 y 1885, se demostr la gran exactitud de sus predicciones. Fue as entonces que la tabla peridica fue aceptada por la comunidad cientfica. Por estos trabajos se le atribuye la creacin de la tabla peridica a Dimitri Mendeleev quien nunca fue galardonado con un premio Nobel ya que el comit organizador estim que no fue capaz de predecir la existencia de los gases nobles, sin embargo, su trabajo es uno de los grandes aportes a la qumica actual. En 1913, Henry Moseley demostr que la longitud de onda de los rayos x caracterstica de cada elemento disminua al aumentar la masa atmica de los elementos que emitan dichos rayos, fue as como, mediante estos estudios determin el nmero atmico (carga nuclear) de los elementos reagrupndolos en orden creciente de nmero atmico y encontrando finalmente la ley peridica definitiva, dado que es el nmero atmico la correlacin correcta entre los elementos y no el nmero msico como propona Mendeleev. De esta forma Moseley enunci una ley que se expresa de la siguiente forma: Las propiedades de los elementos qumicos son una funcin peridica de sus nmeros atmicos. Esta generalizacin no es

Pgina |3fortuita, descansa en la configuracin electrnica de los tomos de la cual dependen todas las propiedades qumicas de los elementos. En la actualidad la ley peridica se expresa en los siguientes trminos Las configuraciones electrnicas de los tomos varan peridicamente con el nmero atmico Como consecuencia de lo anterior podemos decir que las propiedades de los elementos qumicos son una funcin peridica de sus nmeros atmicos. Todas las propiedades qumicas de los elementos dependen de la configuracin electrnica de cada uno de ellos. La ley peridica constituye siendo relevante para organizar los conocimientos qumicos que crecen da a da. Debemos destacar que la tabla peridica solo es una forma de visualizacin y representacin de la ley peridica. Se puede afirmar que despus de la consolidacin de las teoras atmica y molecular, el descubrimiento ms importante para la qumica fue la ley peridica de los elementos qumicos.Puedes ver un video que muestra un resumen de la historia de la Tabla peridica en el siguiente Link: http://www.youtube.com/watch?v=f6yozOdDdKI&feature=related Si quieres saber ms acerca del creador del sistema peridico puedes leer biografa en: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/m/mendeleiev.htm su

II.

DESCRIPCIN DE LA TABLA PERIDICA

La tabla peridica est compuesta por 18 columnas llamadas grupos y 7 filas a las que llamamos periodos. Los grupos de la tabla peridica se identifican actualmente con nmero arbigos desde el 1 al 18, pero tambin es posible distinguirlos con nmeros romanos del I al VIII acompaados de una letra A o B que indica tipo de orbital que se est llenando. Los elementos de un mismo grupo tienen la misma configuracin electrnica externa, es decir, el mismo nmero de electrones de valencia (los electrones del ltimo nivel energtico). Por Ejemplo los elementos del grupo IA 1 : H, Li y Na tienen la configuracin electrnica externa ns1, por lo que todos tienen 1 electrn en el ltimo nivel de energa. Como se muestra a continuacin:

Tabla N1: Relacin entre la configuracin electrnica y el grupo en el sistema peridico

Elemento Configuracin electrnica H 1s1 Li 1s22s1 Na 1s22s22p63s1

N de electrones de valencia 1 1 1

Orbital que llenando s s s

se

est Grupo asignado IA IA IA

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Figura N4: Representacin de grupos y periodos en el sistema peridico Los periodos se identifican con nmero arbigos del 1 al 7, estos nmeros corresponden al ltimo nivel de energa que se estn distribuyendo los electrones de valencia, por lo tanto, los elementos de un mismo periodo comparten el mismo nivel de energa. Si analizamos algunos de los elementos del periodo 4: K, Ca y Sc, podemos ver que todos estos elementos estn llenando el nivel 4 de energa. Tabla N2: Relacin entre la configuracin electrnica y el perodo en el sistema peridico Elemento K Ca Sc III. Configuracin Electrnica 1s22s22p63s23p64s1 1s22s22p63s23p64s2 1s22s22p63s23p64s23d1 ltimo nivel de energa 4 4 4 Periodo 4 4 4

CLASIFICACIN DE LOS ELEMENTOS EN EL SISTEMA PERIDICO

1. Clasificacin de acuerdo a la configuracin electrnica De acuerdo a la configuracin electrnica los elementos del sistema peridico pueden clasificarse en cuatro grupos: Elementos representativos, de transicin, transicin interna y Gases Nobles. Elementos Representativos Los elementos representativos son aquellos que comienzan a organizar electrones en un orbital s p. Corresponden a 7 columnas, dichos elementos pertenecen a lo que se denomina serie homloga A. Su representacin se ilustra asignando al nmero romano, que identifica al grupo o familia, la letra A mayscula. Ejemplo : 3Li, 1s22s1 Electrones de valencia= 1 Grupo al que pertenece= I Elemento representativo Serie Homloga = A Visualizacin en la tabla peridica= IA La configuracin electrnica general ms externa de estos elementos va desde: ns1 hasta ns2np5

Pgina |5Elementos de transicin Los elementos de transicin son aquellos que comienzan a organizar sus electrones en un orbital d. Corresponden a 8 grupos los cuales pertenecen a lo que se denomina serie homloga B y que son representados por el nmero romano correspondiente seguido de la letra B mayscula. La configuracin electrnica general ms externa de estos elementos va desde ns2 (n-1)d1 - 10 Elementos de transicin interna Los elementos de transicin interna corresponden a aquellos que comienzan a organizar sus electrones en un orbital f. Corresponden a 14 grupos de los periodos 6 y 7, conocidos como serie de los lantnidos y los actnidos. Estos elementos tambin estn considerados dentro de la serie homloga B.

Finalmente los elementos situados en la ltima columna, es decir, grupo VIII (18) son conocidos como gases nobles, que como es sabido son altamente estables, debido a que cuentan con su ltima capa electrnica completa. Su configuracin electrnica externa es ns2np6.

2. Clasificacin de acuerdo a la reactividad De acuerdo a esta clasificacin, en el sistema peridico podemos distinguir tres grupos: Los metales, No metales y Metaloides.

Metales Todos los elementos del lado izquierdo y la parte media de la tabla peridica (con excepcin del hidrgeno) son metales. Ellos tienen muchas caractersticas en comn, la mayor parte de los elementos metlicos exhibe un lustre brillante, conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para formar lminas delgadas) y dctiles (se pueden estirar para formar alambres) Todos los metales a excepcin del mercurio (Hg) son slidos a temperatura ambiente.

Pgina |6Metaloides Los metales estn separados de los elementos no metlicos por una lnea diagonal escalonada que va del Boro (B) al astato (At), estos son los metaloides. En general, estos elementos tienen propiedades muy variadas, se denominan metaloides ya que poseen en algunas ocasiones propiedades de metales y en otras, propiedades de no metales. Por ejemplo, actan como no metales cuando reaccionan con metales, y como metales cuando reaccionan con los no metales, algunos de ellos como el silicio y el germanio presentan la propiedad elctrica de ser semiconductores. No Metales Corresponden al grupo de elementos que se encuentra a la derecha de los metaloides. En general pueden presentar todos los estados fsicos a temperatura y presin normales, no son lustrosos como los metales y generalmente son malos conductores del calor y la electricidad, sus puntos de fusin generalmente son ms bajos que los de los metales, siete existen como molculas diatmicas en condiciones normales, 5 se encuentran en estado gaseoso (H2, N2, O2, F2, Cl2), uno es lquido (Br2) y uno es un slido voltil (I2). El resto de los no metales son slidos de variable dureza, adems 6 de ellos son gases nobles monoatmicos (He, Ne Ar, Kr y Xe). Gases Nobles Son considerados un grupo aparte debido a su gran estabilidad consecuencia de su configuracin electrnica en donde cuenta con sus niveles electrnicos llenos.

Desde el siguiente link puedes descargar un sistema peridico interactivo con mucha informacin interesante: http://pafreshney-periodic-table-classic.softonic.com/

IV.

PROPIEDADES PERIDICAS DE LOS ELEMENTOS Clasificacin de las propiedades Peridicas

A) Relativas al tamao Radio atmico Volumen Atmico Radio covalente Radio inico Radio atmico Se entiende como la distancia existente entre el ncleo de un tomo y el ltimo electrn, lo que da cuenta del tamao de dicho tomo. Su variacin en el sistema peridico es la siguiente: Al desplazarse desde nuestra izquierda a derecha, en un periodo, dicho parmetro tiende a disminuir. Por el contrario, al descender en un grupo el radio atmico aumenta. La explicacin a este comportamiento se debe a que por un periodo en la medida que se incrementa el nmero de electrones en un mismo nivel energtico aumenta la interaccin ncleo-electrones provocando una contraccin de la densidad electrnica, por lo que el radio tiende a disminuir, tendencia que no es generalizada, existiendo excepciones a dicha regla. En un grupo ocurre todo lo contrario, en virtud, de que si bien es cierto aumenta la densidad electrnica, por el aumento del Z, esta se va alejando del ncleo puesto que los electrones se van distribuyendo en distintos niveles de energa.

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Figura N5: Variacin del radio atmico en el sistema peridico Volumen Atmico Es el espacio o volumen que ocupa un tomo, como es imposible determinarlo de forma directa se recurre a lo que se conoce como volumen molar atmico que se define como el volumen que ocupa un mol de tomos, es decir, 6,02 x 10 23 tomos. Este parmetro es posible de ser determinado mediante dos variables conocidas que son la masa o peso atmico(M.A o P.A) y la densidad(d). El clculo del volumen atmico molar se representa mediante la expresin:

A partir de este parmetro es posible determinas el volumen atmico simplemente dividiendo el volumen molar atmico por el nmero de Avogadro (6,02 x 10 23). Segn: VA = VMA/ 6,02 x 10 23 Radio Covalente El radio covalente se define como la mitad de la distancia entre dos ncleos de tomos iguales que estn unidos mediante un enlace covalente simple formando una molcula neutra. Es fcil determinar el radio covalente en molculas homonucleares como por ejemplo: Cl2, H2, F2, I2 y algunas otras como el silicio, azufre, fsforo y Carbono (en forma de diamante). Sin embargo para molculas que presentan dobles o triples enlaces, no resulta tan fcil determinar dicha propiedad, como es el caso del O2 (que presenta doble enlace) y N2 (que presenta triple enlace), para ellos es necesario calcular el radio covalente a partir de molculas que contienen enlaces simples o a partir de molculas con un enlace O-X (en el caso del oxgeno) o N-X (para el caso del nitrgeno) en el que se conoce el radio covalente de X. En los grupos del sistema peridico al desplazarse desde arriba hacia abajo, el radio covalente aumenta, por el contrario, al avanzar en un perodo desde nuestra izquierda a nuestra derecha, disminuye. Radio inico. Conocido es que los tomos neutros tienen la capacidad de captar o ceder electrones, condicin que permite generar iones, ya sea cationes (carga positiva) o aniones (carga negativa). Esto da margen a determinaciones de tamao de las especies sealadas mediante lo que se conoce como radio inico y dentro de esto se pude distinguir el radio catinico y radio aninico. En general si comparamos un tomo neutro con su respectivos iones se puede establecer que, el radio inico de un catin ser siempre menor que el radio atmico del tomo neutro original. Asimismo el radio inico de un anin ser mayor que el radio atmico del tomo neutro del cual deriva.

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Figura N6: Comparacin entre el radio atmico y radio inico para los distintos elementos del sistema peridico B) Relativas a la energa Energa o potencial de ionizacin (EI/PI) Electroafinidad o afinidad electrnica (EA/AE) Electronegatividad (EN)

Energa o potencial de ionizacin (EI/PI) Se define como la energa necesaria para separar al electrn menos atrado (ubicado en el nivel de mayor energa) desde un tomo neutro en estado gaseoso. Como resultado de la salida de este electrn se genera un tomo con carga positiva (un catin). El proceso puede ser representado por la siguiente ecuacin:

( )

(PI)

( )

Figura N7: Representacin del potencial de ionizacin para la formacin el catn N+ Es posible extraer ms de un electrn desde los elementos (excepto en el caso del hidrgeno ya que slo tiene uno), pero para extraer un segundo electrn desde un catin se requiere mayor energa que para extraer el primero, es por esto que un mismo elemento tiene ms de un valor de energa de ionizacin. A modo de ejemplo se tiene el caso del Mg. Mg g Mg g Mg g energ a energ a energ a (g) (g) (g) e e e E E E mol mol mol

Para comprender la tendencia que sigue la energa de ionizacin analizaremos dos conceptos relevantes como son el efecto de apantallamiento (S) y la carga nuclear efectiva (Zef).

Pgina |9El efecto pantalla o de apantallamiento (S), se entiende como el efecto que causan los electrones que se encuentran ms cerca del ncleo sobre los que estn en niveles ms externos. Los electrones que se encuentran en niveles de menor energa (ms cercanos al ncleo) disminuyen la fuerza de atraccin que ejerce el ncleo, cargado positivamente, sobre los electrones que se encuentran ms alejados del ncleo. Si bien, est claro, que mientras ms lejos se encuentran los electrones del ncleo existe una menor atraccin entre ellos; efecto que se acenta por el apantallamiento que ejercen los electrones ms internos.

Figura N8: Representacin del efecto pantalla. Carga Nuclear Efectiva (Zef): Es la atraccin real que se produce entre el ncleo y el ltimo electrn, considerando el efecto pantalla que producen los electrones que se interponen entre ellos. A mayor efecto de apantallamiento menor ser la carga nuclear efectiva. Teniendo en cuenta estos dos importantes conceptos podemos explicar la tendencia que sigue esta propiedad en grupos y periodos: En grupos: Al descender en un grupo el potencial de ionizacin disminuye, esta tendencia puede ser explicada de la siguiente manera: A medida que se desciende por un grupo el radio atmico aumenta ya que se van organizando electrones en niveles superiores, esto aumenta el efecto de apantallamiento ya que existen ms electrones entre el ncleo y el ltimo electrn, lo que consecuentemente disminuir la carga nuclear afectiva, es decir, la atraccin entre el ncleo y el electrn ms alejado, por lo que se requiere menor energa para extraerlo del tomo. En periodos: Al avanzar en un periodo el potencial de ionizacin en general aumenta, esta tendencia se debe a que en esta orientacin el radio atmico disminuye, el efecto pantalla tambin y esto determina una mayor carga nuclear efectiva, lo que provoca que se requiera mayor cantidad de energa para extraer al electrn ms lejano del ncleo. Electroafinidad o Afinidad electrnica (EA/AE) Se define como la energa liberada en el proceso de adicin de un electrn a un tomo neutro y gaseoso, esto da lugar a la formacin de un anin. Este proceso puede ser representado por: ( ) ( )

Cuando se forma un anin estable se desprende energa, por lo que el signo del cambio energtico es negativo. Entre ms alta es la electroafinidad (valor ms negativo) ms factible es la formacin de un in negativo y viceversa. Las tendencias que sigue esta propiedad es la de aumentar al desplazarse de izquierda a derecha por un periodo y disminuir al descender por un grupo.

FiguraN9: Representacin de la electroafinidad para la formacin del anin F-

P g i n a | 10La electronegatividad (EN) Corresponde a la tendencia que presentan ciertos tomos para atraer densidad electrnica (par de electrones) haca s al momento de configurar un enlace qumico. Aumenta en un perodo de izquierda a derecha y disminuye al descender por un grupo. Linus Pauling estableci un cuadro de valores de electronegatividad para los distintos elementos del sistema peridico, como se seala en la siguiente figura:

FiguraN10: Tabla de electronegatividades de Pauling El carcter metlico Corresponde a una cualidad metlica que exhiben ciertos elementos y que estn asociados a caractersticas tales como: Altos puntos de fusin, brillo metlico, conductividad trmica y elctrica, maleabilidad y ductilidad, fcil tendencia a ceder electrones, entre otras. El carcter metlico disminuye al avanzar de nuestra izquierda a nuestra derecha por un periodo y por el contrario aumenta al descender en un grupo de arriba hacia abajo.

En los siguientes link encontrars videos explicativos acerca de algunas propiedades peridicas: http://www.youtube.com/watch?v=HGfxGEWtbKk&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=AhxS1TGygNg&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=JhJDi33H1MI&feature=related

P g i n a | 11Ejercicios

Posicione los elementos que se sealan en el sistema peridico que se adjunta, y al respecto responda:

S (Z=16)

Ca (Z=20)

Ga (Z=31)

Br (Z=35)

Rb (Z=37)

i.

La clasificacin de los elementos de acuerdo a su configuracin electrnica

Clasificacin de acuerdo a su configuracin S Ca Ga Br Rbii.

Serie Homloga (A/B)

La clasificacin de los elementos de acuerdo a su reactividad (metal o no metal)

Clasificacin de acuerdo a su reactividad S Ca Ga Br Rbiii. Indique el elemento(s) que: a. b. c. d. e. f. Da lugar, muy fcilmente a un catin Presenta el menor radio atmico Presenta mayor potencial de ionizacin Se podra emplear como un aislante Es el mejor conductor trmico Capta fcilmente un electrn

P g i n a | 12 Autoevaluacin Para verificar su nivel de progreso, resuelva a conciencia los siguientes ejercicios de seleccin mltiple que evalan la unidad de sistema periodica y propiedades peridicas, encontrar las claves al final del test. Calcule su calificacin utilizando una escala al 60% de dificultad.1) La ley peridica establece que las propiedades de los elementos son funcin peridica de su: A. B. C. D. E. 2) Nmero de neutrones Fecha de descubrimiento Nmeros atmicos Nmero de istopos Nmero de electrones 8) Seleccione el trmino que describe mejor la serie de elementos: S (Z=16), Na (Z=11), N (Z=7), F (Z=9), Li (Z=3) A. B. C. D. E. 3) metales de transicin elementos representativos metaloides metales alcalinos trreos halgenos 7) Cul de los siguientes elementos puede dar origen fcilmente a un anin? A. B. C. D. E. Na (Z=11) N (Z=7) F (Z=9) S (Z=16) P (Z=15)

Cul afirmacin NO es correcta? A. B. C. D. E. El Zn es un elemento metlico (Z=30) 2 El ion ms estable del azufre (Z= 16) es S Un tomo de Mg es ms pequeo que un tomo de sodio El catin sodio es ms pequeo que el tomo de sodio El sodio tiene una afinidad electrnica mayor que el flor

Cul es el elemento que tiene el radio atmico ms pequeo? A. B. C. D. E. Al (Z=13) Si (Z=14) Cl (Z=Cl) F (Z=9) O (Z=8)

9)

4)

Cul es el elemento que tiene la energa de ionizacin ms baja? A. B. C. D. E. F (Z=9) Cl (Z=17) Na (Z=11) K (Z=19) C (Z=6)

Cul de las siguientes especies isoelectrnicas perdera un electrn con ms facilidad? 2 A. S B. Cl C. Ar + D. K 2+ E. Ca

10) El nmero de electrones de valencia en el tomo de cloro (Z=17) es: A. B. C. D. E. 5 7 3 1 0

5)

Qu comparacin (es) de acuerdo al tamao (radio) es (son) correcta? I. II. III. A. B. C. D. E. P 3 P + K3

P 2 S K

I I y III I, II y III I y III Ninguna es correcta

11) Cul elemento corresponde grupo III A y periodo 2. A. 8X B. 15Y C. 9W D. 5Z E. 19L 12) Dado el elemento pertenece: A. B. C. D. E.23X

. Seale a qu grupo y periodo

6)

Que elemento empleara usted como componente de un artefacto electrnico? A. B. C. D. E. B (Z=5) Li (Z=3) K( Z=19) P (Z=15) C (Z=6)

Grupo IIA y periodo 2 Grupo III B y periodo 4 Grupo V B y periodo 4 Grupo IV A y periodo 3 Niguna de las anteriores.

P g i n a | 13Claves de la Auto-evaluacin

1 C

2 B

3 D

4 D

5 A

6 C

7 C

8 E

9 D

10 B

11 D

12 C

Bibliografa

1. Brown, Le May, Bursten; Qumica la ciencia central, 9 edicin, 2004. 2. Balochi, Bouyssieres, Daz, Martnez; Curso de qumica General, Universidad de Santiago de Chile, 2000. 3. Chang Raymond , Qumica General, 7 edicin, 2002.