cambio de fase y energía calórica parte 2
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Cambio de fase y energía calórica.
Modelos atómicos. Radiactividad.
Tabla periódica y propiedades periódicas
Sistema
Un sistema se define como cualquier porción del universo aislado en un recipiente inerte, para
estudiar el efecto de las variables sobre el contenido del sistema.
El contenido de un sistema puede variar, desde una pequeña cantidad de agua hasta el universo
entero.
Tipos de sistema:
De acuerdo con las relaciones que se establecen entre un sistema y sus alrededores, los sistemas
se pueden clasificar en:
Sistema abierto: es aquel sistema que intercambia materia y energía con sus alrededores. Por
ejemplo, la evaporación que experimenta un líquido colocado en un recipiente abierto a la
atmosfera. En un sistema abierto en todo momento está entrando y saliendo sustancias
Sistema cerrado: este sistema puede recibir o ceder energía, pero no puede intercambiar materia.
Por ejemplo un tubo cerrado que se coloca alternativamente en un lugar caliente y luego en otro
frio. Este sistema gana y pierde energía, pero la masa permanece invariable.
Un sistema cerrado que contenga una cantidad constante de materia y toda ella a la misma
temperatura puede estar en equilibrio, el cual se reconoce por la constancia de las propiedades
macroscópicas, en un sistema cerrado, a temperatura uniforme.
Sistema aislado: es un sistema que no intercambia ni materia ni energía con sus alrededores. Un
ejemplo de este tipo de sistema son las reacciones que se realizan dentro de un calorímetro
perfectamente aislado del medio que lo rodea.
Elementos del sistema:
Los elementos deun sistema son tres: componentes, fases y entorno.
Un estado es una de las tres formas en que puede encontrarse la materia: solida, líquida o
gaseosa; mientras que la fase es la porción homogénea de un sistema, físicamente diferenciable y
separable mecánicamente. La fase puede estar en cualquier estado
Desde el punto de vista de las fases los sistemas pueden clasificarse en sistemas homogéneos, son
aquellos que contienen una sola fase y sistemas heterogéneos, son aquellos que contienen más de
una fase, por ejemplo, si en el sistema agua coexisten el hielo, el liquido y el vapor, cada forma
constituye una forma separada, el sistema es heterogéneo.
Las especies químicas diferentes e independientes, necesarias para describir la composición de un
sistema reciben el nombre de componentes del sistema.
Cambios de fase y energía asociada
Las moléculas de un sólido están en posiciones fijas, poseen poca energía cinética lo que trae
como consecuencia un estado de orden casi total y el movimiento es por vibración.
Al suministrar energía calórica a un sólido trae como consecuencia que las moléculas aumenten su
energía cinética y por lo tanto aumenten su velocidad, perdiéndose el orden inicial, pasando a un
estado de mayor desorden, la fase liquida.
Si continuamos suministrando energía calórica, la energía cinética y el desorden molecular
aumentan, pasando a la fase gaseosa.
Se denomina fusión al paso de una sustancia desde la fase solida hasta la fase liquida por acción de
la energía calórica. El calor vence en parte a las fuerzas de atracción que mantiene unida
lasmoléculas del sólido. Esta cantidad de calor absorbido por el sólido se denomina calor de
fusión.
Cuando la cantidad de sustancia que se considere es de un mol, el nombre que recibe es el de
calor molar de fusión, el cual es característico para cada sustancia. Por ejemplo, para el agua tiene
un valor de 1440cal/mol para el cobre es de 3110cal/mol.
Si se produce el proceso inverso, el cambio de fase se denomina solidificación o congelación, en
este caso, se desprende la misma cantidad de calor que en la fusión. El número de calorías
desprendidas por un mol de sustancia solidificadas se denomina calor molar de solidificación.
Cuando se añade calor a un sólido cerca del cero absoluto de temperatura, las moléculas
comienzan a vibrar alrededor de sus posiciones fijas en la estructura. A mayor calor añadido, la
temperatura del solido aumenta hasta alcanzar el punto de fusión. La temperatura permanece
constante en el punto de fusión hasta que todo el sólido se convierte en líquido. La temperatura a
la cual coexistan en equilibrio los estados sólidos y líquidos a 760mm Hg se denomina punto de
fusión. En este punto la sustancia absorbe calor adicional pero la temperatura no aumenta, toda la
energía añadida se usa para vencer la fuerza de atracción que mantienen a las moléculas en sus
posiciones fijas en el estado sólido.
La cantidad de calor necesaria para convertir una cantidad determinada de sustancia del estado
sólido al líquido en el punto de fusión se llama calor de fusión.
Al agregar más calor a las moléculas en el estado físico aumenta su energía cinética y
latemperatura asciende hasta el punto de ebullición. En el punto de ebullición no hay aumento de
temperatura por absorción de más energía. La cantidad de energía necesaria para determinada
masa de líquido a vapor en su punto de ebullición se llama calor de vaporización y para el proceso
inverso, cambio de gas a líquido, la misma constante se llama calor de condensación. Cuando se ha
agregado suficiente energía para evaporar todas las moléculas de líquido, el calor adicional
simplemente aumenta la energía cinética de las moléculas gaseosas aumentando la temperatura.
El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la
presión atmosférica. Esta temperatura siempre es la misma para un líquido en particular.
Importancia biológica y ambiental del agua
El calor especifico del agua como es relativamente alto, se requiere una gran cantidad de calor
para elevar la temperatura de una muestra de agua y se desprende mucho calor durante un
descenso pequeño de temperatura. Las enormes cantidades de agua en la superficie de la tierra
almacenan y liberan calor en forma alterna, lo que tiende a moderar las variaciones diarias de
temperatura.
Otra propiedad poco usual del agua es su calor de vaporización relativamente alto. Así se requiere
una gran cantidad de calor para evaporar una pequeña cantidad de agua. Esto es de gran
importancia para los animales, pues hace posible disipar cantidades considerables de calor
corporal, generado como subproducto de los procesos metabólicos, por la evaporación de
pequeñas cantidades de agua(transpiración) desde la piel. El calor que demanda la vaporización de
esta agua se obtiene del cuerpo, el cual se enfría gracias a este proceso.
Junto con el efecto modificador de la temperatura, debido al elevado calor especifico del agua, el
alto calor de vaporización del agua también tiene un efecto moderador sobre la temperatura. Una
porción considerable del calor que de otra manera calentaría la tierra se utiliza, en cambio, en
vaporizar el agua de los lagos y océanos. En eta forma, en el verano las temperaturas diurnas no
tienden a elevarse tanto en las áreas próximas a grandes cuerpos de aguas.
Reacciones químicas y energía calórica
Cuando se produce una reacción química, los átomos se conservan. Sin embargo estos se
redistribuyen durante la reacción para formar nuevos compuestos. Esto significa que las fuerzas
que mantienen unidas a los átomos en las moléculas de los reactivos deben romperse para que
formen nuevos enlaces en los productos.
Para que ocurra una reacción deben romperse los enlaces de los reaccionantes y la ruptura de un
enlace necesita energía para separar los átomos.
Por su parte la formación de un nuevo enlace libera energía. Por este motivo las reacciones
químicas van siempre acompañadas de variaciones de energía.
Los cambios de energía resultantes del rompimiento y la formación de enlaces químicos reciben el
nombre de calores de reacción, los cuales se expresan generalmente en términos de calorías o
kilocalorías (Kcal). Con la introducción de las unidades SI, el joule (simbolizado por J) ira
desplazando con el tiempo a la caloría comomedida de energía para los cambios químicos
1 caloría = 4,184 joules = 4,184 J
1 kilocaloría = 1000 calorías = 1 Kcal
El calor de reacción recibe diversos nombres según el tipo de cambio, así podemos nombra calor
de formación, calor de combustión, calor de neutralización, entre otros.
Reacciones endotérmicas y reacciones exotérmicas
Las reacciones endotérmicas: son aquellas que absorben calor, esto significa que la energía de las
moléculas de los productos (EP) es mayor que la energía de las moléculas de los reaccionantes
(ER).
Las reacciones exotérmicas: son aquellas que liberan calor, esto significa que la energía de las
moléculas de los productos (EP) es menor que la energía de las moléculas de los reaccionantes
(ER).
Energía calórica y temperatura
Si una muestra de agua a una temperatura conocida (TI) se calienta por cierto tiempo, se observa
un incremento en su temperatura, esta nueva temperatura se identifica como (TF) y el cambio de
temperatura ( T) viene dado por la diferencia T=TF-TI
Mediante el termómetro se determina la temperatura y las variaciones entre ellas, pero no la
cantidad de calor que el agua absorbió.
La temperatura es una medida de la intensidad de calor, pero nunca una medida de la energía
calórica. Se define el calor como la transferencia de energía entre dos sistemas a diferentes
temperaturas. Esta transferencia siempre se establece desde el sistema con mayor contenido
calórico al sistema con menor contenido calórico.
La medida cuantitativa del calor seexpresa en unidades llamadas calorías. Una caloría es la
cantidad de calor que absorbe 1g de agua para elevar su temperatura en 1°C. Una unidad mil
veces mayor es la kilocaloría (Kcal).
Cada sustancia posee una capacidad de absorber calor (capacidad calorífica) que le es propia.
Cuando se compara la capacidad calorífica de una sustancia con la del agua, que tiene el valor de
la unidad, se obtiene un valor que recibe el nombre de calor especifico para dicha sustancia. Los
calores específicos son valores constantes.
Entalpía y entropía
Los calores de reacción que acompañan a los procesos que se realizan a presión constante se
representan mediante una función termodinámica llamada entalpia que se representa con la letra
H.
La entalpia que es el contenido calorífico no se puede medir directamente, pero si se puede medir
el calor producido o consumido en una reacción química, que es la diferencia entre la entalpia de
los productos y la entalpia de las sustancias reaccionantes. A este cambio en la entalpia se le da el
símbolo H ( significa cambio en) y el cual se define como la entalpia de los productos menos la
entalpia de los reaccionantes.
La entropía(s) mide el desorden del sistema. Mientras mayor sea el desorden de un sistema,
mayor será su entropía. Para cualquier sustancia en partículas, las partículas en estado sólido
tienen más ordenamiento que en estado liquido; estas últimas a su vez tienen mayor
ordenamiento que el estado gaseoso. Así, la entropía de una sustancia determinada aumenta
cuando pasa de solido a liquido y a gas.
El cambio de entropía sesimboliza S. Un valor positivo de S indica disminución del grado de
distribución ordenada. Esto quiere decir que el desorden aumenta. Este cambio ocurre, por
ejemplo, cuando un sólido se convierte o gas. Cuando se realiza el cambio opuesto, es decir, el
liquido se convierte en solido, entonces S es negativo.
Ley de hess
Ley de Hess, ley que afirma que la variación de entalpía asociada a una reacción química es la
misma tanto si la reacción se verifica en una sola etapa, como si tiene lugar en varias; sólo
depende del estado inicial y del estado final del sistema reaccionante, y no de los posibles estados
intermedios. Fue enunciada en 1840 por el químico ruso Germain Henry Hess. También se conoce
como ley de aditividad de las entalpías de reacción.
Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía y es muy útil para
determinar la variación de entalpía de una reacción que sea difícil de llevar a cabo en una sola
etapa. En estas circunstancias se pueden tratar las ecuaciones termoquímicas (ecuaciones
químicas en las que se específica el intercambio energético) como ecuaciones algebraicas; estas
ecuaciones permiten hallar el valor de la entalpía de reacción correspondiente tras sumarlas o
restarlas, multiplicadas en todo caso previamente por algún número, de forma que se puedan
cancelar algunos términos y dar lugar a la ecuación termoquímica deseada.
Así, a partir de las ecuaciones termoquímicas:
S (rómbico) + O2(g) → SO2(g) - 296,53 kJ/mol
S(monoclínico) + O2(g) → SO2(g) - 296,86 kJ/mol
Se puede calcular el valor de la entalpíapara la transformación:
S(rómbico) → S(monoclínico)
Restando la segunda ecuación de la primera y reagrupando términos, la entalpía para esta
transformación es 0,33 kJ/mol.
Diferentes modelos atómicos
Átomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua
Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que
podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese
concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. A lo
largo de los siglos, el tamaño y la naturaleza del átomo sólo fueron objeto de especulaciones, por
lo que su conocimiento avanzó muy lentamente.
Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII (véase Química), los avances en la
teoría atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos
los líquidos, gases y sólidos se pueden descomponer en sus constituyentes últimos, o elementos.
Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro,
ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una
mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.
Característica del átomo
La curiosidad acerca del tamaño y masa del átomo atrajo a cientos de científicos durante un largo
periodo en el que la falta de instrumentos y técnicas apropiadas impidió obtener respuestas
satisfactorias. Posteriormente se diseñaron numerosos experimentos ingeniosos para determinar
el tamaño y masa de los diferentesátomos. El átomo más ligero, el de hidrógeno, tiene un
diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 × 10-27 kg
(la fracción de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal). Un
átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos.
De la ley de Avogadro se desprende que las masas de un volumen patrón de diferentes gases (es
decir, sus densidades) son proporcionales a la masa de cada molécula individual de gas. Si se toma
el carbono como patrón y se le asigna al átomo de carbono un valor de 12,0000 unidades de masa
atómica (u), resulta que el hidrógeno tiene una masa atómica de 1,0079 u, el helio de 4,0026, el
flúor de 18,9984 y el sodio de 22,9898. En ocasiones se habla de “peso atómico” aunque lo
correcto es “masa atómica”. La masa es una propiedad del cuerpo, mientras que el peso es la
fuerza ejercida sobre el cuerpo a causa de la gravedad.
La observación de que muchas masas atómicas se aproximan a números enteros llevó al químico
británico William Prout a sugerir, en 1816, que todos los elementos podrían estar compuestos por
átomos de hidrógeno. No obstante, medidas posteriores de las masas atómicas demostraron que
el cloro, por ejemplo, tiene una masa atómica de 35,453 (si se asigna al carbono el valor 12). El
descubrimiento de estas masas atómicas fraccionarias pareció invalidar la hipótesis de Prout hasta
un siglo después, cuando se descubrió que generalmente los átomos de un elemento dado no
tienen todas las mismas masas. Los átomos de un mismo elemento con diferentemasa se conocen
como isótopos. En el caso del cloro, existen dos isótopos en la naturaleza. Los átomos de uno de
ellos (cloro 35) tienen una masa atómica cercana a 35, mientras que los del otro (cloro 37) tienen
una masa atómica próxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una mezcla de tres
partes de cloro 35 por cada parte de cloro 37. Esta proporción explica la masa atómica observada
en el cloro.
Durante la primera mitad del siglo XX era corriente utilizar el oxígeno natural como patrón para
expresar las masas atómicas, asignándole una masa atómica entera de 16. A principios de la
década de 1960, las asociaciones internacionales de química y física acordaron un nuevo patrón y
asignaron una masa atómica exactamente igual a 12 a un isótopo de carbono abundante, el
carbono 12. Este nuevo patrón es especialmente apropiado porque el carbono 12 se emplea con
frecuencia como patrón de referencia para calcular masas atómicas mediante el espectrómetro de
masas. Además, la tabla de masas atómicas basada en el carbono 12 se aproxima bastante a la
tabla antigua basada en el oxígeno natural.
El átomo rutherford
El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permitió a los físicos profundizar
en el átomo, que según se vio consistía principalmente en espacio vacío. En el centro de ese
espacio se encuentra el núcleo, que sólo mide, aproximadamente, una diezmilésima parte del
diámetro del átomo. Rutherford dedujo que la masa del átomo está concentrada en su núcleo.
También postuló que los electrones, de los que ya se sabía que formaban parte del átomo,se
movían en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tiene una carga eléctrica positiva; los electrones
tienen carga negativa. La suma de las cargas de los electrones es igual en magnitud a la carga del
núcleo, por lo que el estado eléctrico normal del átomo es neutro.
El átomo de bohr
Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis
conocida como teoría atómica de Bohr (véase Teoría cuántica). Bohr supuso que los electrones
están dispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo.
La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica. El número de electrones
es igual al número atómico del átomo: el hidrógeno tiene un único electrón orbital, el helio dos y
el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de forma regular hasta un máximo de siete, y
cada una de ellas puede albergar un determinado número de electrones. La primera capa está
completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un máximo de ocho, y las capas
sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la naturaleza
tiene la séptima capa llena. Los “últimos” electrones, los más externos o los últimos en añadirse a
la estructura atómica, determinan el comportamiento químico del átomo.
Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capa
electrónica externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los más pesados
(argón, criptón, xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en ellaboratorio. Por otra
parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio sólo contienen un electrón.
Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos (transfiriéndoles su electrón más
externo) para formar numerosos compuestos químicos. De forma equivalente, a los elementos
como el flúor, el cloro o el bromo sólo les falta un electrón para que su capa exterior esté
completa. También se combinan con facilidad con otros elementos de los que obtienen
electrones.
Las capas atómicas no se llenan necesariamente de electrones de forma consecutiva. Los
electrones de los primeros 18 elementos de la tabla periódica se añaden de forma regular,
llenando cada capa al máximo antes de iniciar una nueva capa. A partir del elemento
decimonoveno, el electrón más externo comienza una nueva capa antes de que se llene por
completo la capa anterior. No obstante, se sigue manteniendo una regularidad, ya que los
electrones llenan las capas sucesivas con una alternancia que se repite. El resultado es la
repetición regular de las propiedades químicas de los átomos, que se corresponde con el orden de
los elementos en la tabla periódica.
Resulta cómodo visualizar los electrones que se desplazan alrededor del núcleo como si fueran
planetas que giran en torno al Sol. No obstante, esta visión es mucho más sencilla que la que se
mantiene actualmente. Ahora se sabe que es imposible determinar exactamente la posición de un
electrón en el átomo sin perturbar su posición. Esta incertidumbre se expresa atribuyendo al
átomo una forma de nube en la que la posición de unelectrón se define según la probabilidad de
encontrarlo a una distancia determinada del núcleo. Esta visión del átomo como “nube de
probabilidad” ha sustituido al modelo planetario
Propiedades del átomo
La curiosidad acerca del tamaño y masa del átomo atrajo a cientos de científicos durante un largo
periodo en el que la falta de instrumentos y técnicas apropiadas impidió obtener respuestas
satisfactorias. Posteriormente se diseñaron numerosos experimentos ingeniosos para determinar
el tamaño y masa de los diferentes átomos. El átomo más ligero, el de hidrógeno, tiene un
diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 × 10-27 kg
(la fracción de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal). Un
átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos.
De la ley de Avogadro se desprende que las masas de un volumen patrón de diferentes gases (es
decir, sus densidades) son proporcionales a la masa de cada molécula individual de gas. Si se toma
el carbono como patrón y se le asigna al átomo de carbono un valor de 12,0000 unidades de masa
atómica (u), resulta que el hidrógeno tiene una masa atómica de 1,0079 u, el helio de 4,0026, el
flúor de 18,9984 y el sodio de 22,9898. En ocasiones se habla de “peso atómico” aunque lo
correcto es “masa atómica”. La masa es una propiedad del cuerpo, mientras que el peso es la
fuerza ejercida sobre el cuerpo a causa de la gravedad.
La observación de que muchas masas atómicas se aproximan a números enteros llevó al químico
británico William Prout asugerir, en 1816, que todos los elementos podrían estar compuestos por
átomos de hidrógeno. No obstante, medidas posteriores de las masas atómicas demostraron que
el cloro, por ejemplo, tiene una masa atómica de 35,453 (si se asigna al carbono el valor 12). El
descubrimiento de estas masas atómicas fraccionarias pareció invalidar la hipótesis de Prout hasta
un siglo después, cuando se descubrió que generalmente los átomos de un elemento dado no
tienen todos la misma masa. Los átomos de un mismo elemento con diferente masa se conocen
como isótopos. En el caso del cloro, existen dos isótopos en la naturaleza. Los átomos de uno de
ellos (cloro 35) tienen una masa atómica cercana a 35, mientras que los del otro (cloro 37) tienen
una masa atómica próxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una mezcla de tres
partes de cloro 35 por cada parte de cloro 37. Esta proporción explica la masa atómica observada
en el cloro.
Durante la primera mitad del siglo XX era corriente utilizar el oxígeno natural como patrón para
expresar las masas atómicas, asignándole una masa atómica entera de 16. A principios de la
década de 1960, las asociaciones internacionales de química y física acordaron un nuevo patrón y
asignaron una masa atómica exactamente igual a 12 a un isótopo de carbono abundante, el
carbono 12. Este nuevo patrón es especialmente apropiado porque el carbono 12 se emplea con
frecuencia como patrón de referencia para calcular masas atómicas mediante el espectrómetro de
masas. Además, la tabla de masas atómicas basada en el carbono 12 se aproxima bastante a la
tablaantigua basada en el oxígeno natural.
Las propiedades de un átomo son:
NUMERO ATÓMICO: El número atómico indica el número de protones en la corteza de un átomo.
El número atómico es un concepto importante de la química y de la mecánica cuántica. El
elemento y el lugar que éste ocupa en la tabla periódica derivan de este concepto. Cuando un
átomo es generalmente eléctricamente neutro, el número atómico será igual al número de
electrones del átomo que se pueden encontrar alrededor de la corteza. Estos electrones
determinan principalmente el comportamiento químico de un átomo. Los átomos que tienen
carga eléctrica se llaman iones. Los iones pueden tener un número de electrones más grande
(cargados negativamente) o más pequeño (cargados positivamente) que el número atómico.
MASA ATOMICA: El nombre indica la masa atómica de un átomo, expresada en unidades de masa
atómica (umas). Cada isótopo de un elemento químico puede variar en masa. La masa atómica de
un isótopo indica el número de neutrones que están presentes en la corteza de los átomos. La
masa atómica indica el número partículas en la corteza de un átomo; esto quiere decir los
protones y los neutrones. La masa atómica total de un elemento es una media ponderada de las
unidades de masa de sus isótopos. La abundancia relativa de los isótopos en la naturaleza es un
factor importante en la determinación de la masa atómica total de un elemento.
ELECTRONEGATIVIDAD: La electronegatividad mide la tendencia de un átomo para atraer la nube
electrónica hacia sí durante el enlace con otro átomo. La escala de Pauling es unmétodo
ampliamente usado para ordenar los elementos químicos de acuerdo con su electro negatividad.
El premio Nobel Linus Pauling desarrolló esta escala en 1932. Los valores de electronegatividad no
están calculados, ni basados en formulas matemáticas ni medidas. Es más que nada un rango
pragmático. Pauling le dio un valor de 4,0 al elemento con la electronegatividad más alta posible,
el flúor. Al francio, el elemento con la electronegatividad más baja posible, se le dio un valor de
0,7. A todos los elementos restantes se les dio un valor entre estos dos extremos.
DENSIDAD: La densidad de un elemento indica el número de unidades de masa del elemento que
están presentes en cierto volumen de un medio. Tradicionalmente la densidad se expresa a través
de la letra griega “ro” (escrita r). Dentro del sistema internacional de unidades (SI) la densidad se
expresa en kilogramos por metro cúbico (kg. / m3). La densidad de un elemento se expresa
normalmente de forma gráfica con temperaturas y presiones del aire, porque ambas propiedades
influyen en la densidad.
PUNTO DE FUNSION: De un elemento o compuesto es la temperatura a la cual la forma sólida del
elemento o compuesto se encuentra en equilibrio con la forma líquida. Normalmente se asume
que la presión del aire es de 1 atmósfera. Por ejemplo: el punto de fusión del agua es de 0oC, o
273 K.
PUNTO DE EBULLICION: El punto de ebullición de un elemento o compuesto significa la
temperatura a la cual la forma líquida de un elemento o compuesto se encuentra en equilibrio con
la forma gaseosa. Normalmente se asume que la presión delaire es de 1 atmósfera. Por ejemplo:
el punto de ebullición del agua es de 100oC, o 373 K. En el punto de ebullición la presión de un
elemento o compuesto es de 1 atmósfera.
RADIO DE Vanderwaals: Incluso si dos átomos cercanos no se unen, se atraerán entre sí. Este
fenómeno es conocido como fuerza de Vanderwaals. Las fuerzas de Vanderwaals provocan una
fuerza entre los dos átomos. Esta fuerza es más grande cuanto más cerca estén los átomos el uno
del otro. Sin embargo, cuando los dos átomos se acercan demasiado actuará una fuerza de
repulsión, como consecuencia de la repulsión entre las cargas negativas de los electrones de
ambos átomos. Como resultado, se mantendrá una cierta distancia entre los dos átomos, que se
conoce normalmente como el radio de Vanderwaals. A través de la comparación de los radios de
Vanderwaals de diferentes pares de átomos, se ha desarrollado un sistema de radios de
Vanderwaals, a través del cual podemos predecir el radio de Vanderwaals entre dos átomos,
mediante una simple suma.
RADIO IONICO: Es el radio que tiene un ión en un cristal iónico, donde los iones están
empaquetados juntos hasta el punto que sus orbitales atómicos más externos están en contacto
unos con otros. Un orbital es el área alrededor de un átomo donde, de acuerdo con la
probabilidad de encontrar un electrón es máxima.
Isótopos: El número atómico no determina el número de neutrones en una corteza atómica. Como
resultado, el número de neutrones en un átomo puede variar.
Existen dos isótopos.
Radiactividad
Radiactividad, desintegración espontánea de núcleos atómicosmediante la emisión de partículas
subatómicas llamadas partículas alfa y partículas beta, y de radiaciones electromagnéticas
denominadas rayos X y rayos gamma. El fenómeno fue descubierto en 1896 por el físico francés
Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio podían ennegrecer una placa
fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma por una lámina de vidrio o un papel negro.
También comprobó que los rayos que producían el oscurecimiento podían descargar un
electroscopio, lo que indicaba que poseían carga eléctrica. En 1898, los químicos franceses Marie y
Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomos e
independiente de su estado físico o químico. También llegaron a la conclusión de que la
pechblenda, un mineral de uranio, tenía que contener otros elementos radiactivos ya que
presentaba una radiactividad más intensa que las sales de uranio empleadas por Becquerel. El
matrimonio Curie llevó a cabo una serie de tratamientos químicos de la pechblenda que
condujeron al descubrimiento de dos nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Marie
Curie también descubrió que el torio es radiactivo. En 1899, el químico francés André Louis
Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Ese mismo año, los físicos británicos
Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radón, observado en asociación
con el torio, el actinio y el radio.
Pronto se reconoció que la radiactividad era una fuente de energía más potente que ninguna de
las conocidas. Los Curie midieron el calor asociado con ladesintegración del radio y establecieron
que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 420 julios (100 calorías) de energía cada
hora. Este efecto de calentamiento continúa hora tras hora y año tras año, mientras que la
combustión completa de un gramo de carbón produce un total de 34.000 julios (unas 8.000
calorías) de energía. Tras estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de
científicos de todo el mundo. En las décadas siguientes se investigaron a fondo muchos aspectos
del fenómeno.
Tipos de radiactividad
La radiactividad puede ser:
* Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.
* Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones
artificiales.
Radiactividad natural
En 1896 Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones espontáneamente, al
observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral
en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era
siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de
radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del
cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.
El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al
matrimonio Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas como el torio, polonio y radio.
La intensidad de la radiación emitida eraproporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que
dedujo Marie Curie que la radiactividad era una propiedad atómica. El fenómeno de la
radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Se cree que la
causa que lo origina es debida a la interacción neutrón-protón del mismo. Al estudiar la radiación
emitida por el radio se comprobó que era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte
de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no.
Pronto se vio que todas estas reacciones provenían del núcleo atómico que describió Rutherford
en 1911, quien también demostró que las radiaciones emitidas por las sales de uranio eran
capaces de ionizar el aire y de producir la descarga de cuerpos cargados eléctricamente.
Con el uso del neutrino, partícula descrita en 1930 por Pauli pero no medida hasta 1956 por
ClydeCowan y sus colaboradores, consiguió describirse la radiación beta.
En 1932 James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Wolfgang Pauli había predicho en
1930, e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en
fenómenos no muy comunes de desintegración eran en realidad neutrones.
Radiactividad artificial
Símbolo utilizado tradicionalmente para indicar la presencia de radiactividad
Se produce la radiactividad inducida cuando se bombardean ciertos núcleos estables con
partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado penetran dentro
del núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra
después radiactivamente.Fue descubierta por los esposos Jean Frédéric Joliot-Curie e Irène Joliot-
Curie, bombardeando núcleos de boro y aluminio con partículas alfa. Observaron que las
sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de retirar el cuerpo radiactivo emisor de
las partículas de bombardeo.
En 1934 Fermi se encontraba en un experimento bombardeando núcleos de uranio con los
neutrones recién descubiertos. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann
verificaron los experimentos de Fermi. Es más, en 1939 demostraron que parte de los productos
que aparecían al llevar a cabo estos experimentos era bario. Muy pronto confirmaron que era
resultado de la división de los núcleos de uranio: la primera observación experimental de la fisión.
En Francia, Jean Frédéric Joliot-Curie descubrió que además del bario, se emitían neutrones
secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena.
También en 1932 Mark Oliphant teorizó sobre la fusión de núcleos ligeros (de hidrógeno),
describiendo poco después Hans Bethe el funcionamiento de las estrellas en base a este
mecanismo.
El estudio de la radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo atómico
y de las partículas subatómicas. Se abre la posibilidad de convertir unos elementos en otros.
Incluso el sueño de los alquimistas de transformar otros elementos en oro se hace realidad,
aunque no resulte rentable.
Fusión nuclear
En física nuclear y química nuclear, la fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos
atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado.Se acompaña de la
liberación o absorción de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor
energía de enlace por nucleón) libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más
pesados que el hierro absorbe energía; y viceversa para el proceso inverso, fisión nuclear. En el
caso más simple de fusión del hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la
interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior
liberación de energía.
La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también se ha
logrado en varias empresas humanas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la
base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conducidos unos pocos
años antes, la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por
Mark Oliphant en 1932; los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas
posteriormente fueron elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La
investigación sobre la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del
Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada
con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta este día.
Descripción general
Las reacciones de fusión dan energía a las estrellas y producen todos los elementos, excepto los
más ligeros, en un proceso llamadonucleosíntesis. Aunque la fusión de los elementos más ligeros
en las estrellas libera energía, la producción de los elementos más pesados absorbe energía.
Cuando la reacción de fusión es una cadena sostenida y fuera de control, puede resultar en una
explosión termonuclear, como la generada por una bomba de hidrógeno. Las reacciones que no
son autosuficientes aún pueden liberar una energía considerable, así como un gran número de
neutrones.
Las investigaciones sobre la fusión controlada llevan más de 50 años persiguiendo el objetivo de
obtener energía de fusión para la producción de electricidad. Este proceso ha estado repleto de
extremas dificultades científicas y tecnológicas, pero esto se ha traducido en progreso. En la
actualidad, las reacciones equilibradas y controladas (autosuficientes) de fusión, no han podido ser
demostradas en los pocos reactores de tipo tokamak que hay en el mundo.[1] Está previsto que en
torno al año 2018 entren en funcionamiento diseños viables para un reactor que, teóricamente,
generará diez veces más energía de la requerida para calentar el plasma a la temperatura
necesaria (ver ITER).
Se necesita mucha energía para forzar a los núcleos a fusionarse, incluso los del elemento más
ligero, el hidrógeno. Esto se debe a que todos los núcleos tienen una carga positiva (debido a sus
protones), y como las cargas iguales se repelen, los núcleos se resisten con fuerza a que se los
ponga demasiado juntos. Acelerados a altas velocidades (esto es, calentados a temperaturas
termonucleares), pueden superar esta repulsión electromagnética y acercarse losuficiente para
que la interacción nuclear fuerte sea lo suficientemente fuerte como para lograr la fusión. La
fusión de núcleos más ligeros, que crea un núcleo más pesado y un neutrón libre, en general libera
más energía de la que se necesita para forzar a los núcleos a acercarse; se trata de una reacción
exotérmica que puede producir reacciones autosuficientes.
La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las
reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor
que la energía que mantiene unido al núcleo con un electrón.
Por ejemplo, la energía de ionización ganada con la adición de un electrón a un átomo de
hidrógeno es 13.6 electrón-voltios—menos de una millonésima de los 17 MeV liberada en la
reacción DT (deuterio-tritio), reacción que se muestra en el diagrama de la derecha. Las reacciones
de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear, es decir, las
reacciones producen mucha más energía por unidad de masa a pesar de que las reacciones de
fisión individuales son generalmente mucho más enérgicas que las reacciones de fusión
individuales, que a su vez son millones de veces más enérgicas que las reacciones químicas. Sólo la
conversión directa de la masa en energía, como la causada por la colisión de la materia y la
antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.
Requisitos
Antes de que la fusión pueda tener lugar, debe superarse una importante barrera de energía
producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias dosnúcleos se repelen entre sí debido
a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones cargados positivamente. Si dos núcleos
pueden ser acercados lo suficiente, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar
debido a la interacción nuclear fuerte, que es más fuerte en distancias cortas.
Cuando se añade un nucleón como un protón o un neutrón a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a
otros nucleones, pero principalmente a sus vecinos inmediatos, debido al corto alcance de esta
fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los de la
superficie. Ya que los núcleos más pequeños tienen una mayor relación entre área de superficie y
volumen, la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear por lo general aumenta con
el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente a la de un núcleo con un
diámetro de cerca de cuatro nucleones.
La fuerza electrostática, por otra parte, es una fuerza inversa del cuadrado de la distancia, así que
un protón añadido a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en
el núcleo. La energía electrostática por nucleón, debido a la fuerza electrostática por tanto,
aumenta sin límite cuando los núcleos se hacen más grandes.
En distancias cortas, la interacción nuclear fuerte (atracción) es más fuerte que la fuerza
electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que los
núcleos se acerquen lo suficiente para fusionar. Las distancias no están a escala.
El resultado neto de estasfuerzas opuestas es que la energía de enlace por nucleón generalmente
aumenta con el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior
descenso para los núcleos más pesados. Finalmente, la energía de enlace se convierte en negativa
y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de
alrededor de 6 nucleones) no son estables. Los cuatro núcleos más estrechamente unidos, en
orden decreciente de energía de enlace, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.[2] A pesar de que el isótopo
de níquel, 62Ni, es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común.
Esto se debe a una mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas impulsado
por la absorción de fotones.
Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio-4, cuya energía de enlace es
mayor que la del litio, el siguiente elemento más pesado. El principio de exclusión de Pauli
proporciona una explicación para este comportamiento excepcional, que dice que debido a que
los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado. Helio-4 tiene
una energía de enlace anormalmente grande debido a que su núcleo está formado por dos
protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones pueden estar en el estado
fundamental. Cualquier nucleón adicional tendrían que ir en estados de energía superiores.
Confinamiento electrostático estable para fusión nuclear
Como se puede apreciar en el dibujo de abajo se basa en el encierro total de iones de hidrógeno
confinados electrostáticamente.
Losbeneficios de este confinamiento son múltiples:
1. El grosor de la esfera de cobre anula la inestabilidad producida por los errores de simetría. 2. La
ionización del hidrógeno se produce fácilmente por el campo eléctrico que absorbe los electrones
sin disminuir la intensidad del campo eléctrico. 3. Se puede obtener un intenso campo eléctrico lo
que evitaría que los iones de hidrógeno escapen. 4. La energía consumida es menor que la que
consume un reactor de fusión que produce un campo electromagnético para confinar los iones. La
fusión nuclear se logra por medio de compresión-descompresión aumentando o disminuyendo la
intensidad del campo eléctrico, esto se logra aumentando o disminuyendo la velocidad del
generador de electricidad. El moderador de neutrones que se puede utilizar es el plomo aunque
habría que probar su eficacia.
Fisión nuclear
En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo del
átomo. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños,
además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y
otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones
de alta energía).
Mecanismo
La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades
sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones
químicas convencionales, en las que están implicadas las cortezas electrónicas; la energía se
emite, tanto en forma de radiación gammacomo de energía cinética de los fragmentos de la fisión,
que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.
La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo
fisionable con una partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un neutrón
libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo inestable (como una pirámide de
naranjas en el supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la
velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos
de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media
de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos.
Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más
probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos, no son isótopos estables; estos
isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.
Fisión nuclear de un átomo de uranio-235.
Reactores nucleares
Un reactor nuclear es un dispositivo en donde se produce una reacción nuclear controlada. Se
puede utilizar para la obtención de energía en las denominadas centrales nucleares, la producción
de materialesfisionables, como el plutonio, para ser usados en armamento nuclear, la propulsión
de buques o de satélites artificiales o la investigación. Una central nuclear puede tener varios
reactores. Actualmente solo producen energía de forma comercial los reactores nucleares de
fisión, aunque existen reactores nucleares de fusión experimentales.
La potencia de un reactor de fisión puede variar desde unos pocos Kw térmicos a unos 4500 MW
térmicos (1500 MW "eléctricos"). Deben ser instalados en zonas cercanas al agua, como cualquier
central térmica, para refrigerar el circuito, y se emplazan en zonas sísmicamente estables para
evitar accidentes. Poseen grandes medidas de seguridad. No emiten gases que dañen la atmósfera
pero producen residuos radiactivos que duran decenas de miles de años, y que deben ser
almacenados para su posterior uso en reactores avanzados y así reducir su tiempo de vida a unos
cuantos cientos de años.
Usos de la energía nuclear
* Generación nuclear:
* Producción de calor para la generación de energía eléctrica
* Producción de calor para uso doméstico e industrial
* Producción de hidrógeno mediante electrólisis de alta temperatura
* Desalación
* Propulsión nuclear:
* Marítima
* Cohetes de propulsión térmica nuclear (propuesta)
* Cohetes de propulsión nuclear pulsada (propuesta)
* Transmutación de elementos:
* Producción de plutonio, utilizado para la fabricación de combustible de otros reactores o de
armamento nuclear
* Creación de diversos isótopos radiactivos, como elamericio utilizado en los detectores de humo,
o el cobalto-60 y otros que se utilizan en los tratamientos médicos
* Aplicaciones de investigación, incluyendo:
* Su uso como fuentes de neutrones y de positrones (p. ej. para su uso de análisis mediante
activación neutrónica o para el datado por el método de potasio-argón).
* Desarrollo de tecnología nuclear
Tipos de radiaciones nucleares
Clases de radiación ionizante y cómo detenerla. Las partículas alfa (núcleos de helio) se detienen al
interponer una hoja de papel. Las partículas beta (electrones y positrones) no son capaces de
atravesar una capa de aluminio. Sin embargo, los rayos gamma (fotones de alta energía) necesitan
una barrera mucho más gruesa, pudiendo los más energéticos atravesar el plomo.
Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes:
1. Radiación alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y
dos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco
penetrantes aunque muy ionizantes. Son muy energéticos.
2. Radiación beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas)
resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra
en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante aunque su poder
de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto cuando un átomo
expulsa una partícula beta aumenta o disminuye su número atómico una unidad(debido al protón
ganado o perdido).
3. Radiación gamma: Son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser
ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan
capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas.
Aplicación e implicaciones de la radioactividad
Las radiaciones nucleares tienen una amplia utilización en el campo de la ciencia y la tecnología en
la agricultura, la arqueología y en la investigación biológica, medica e industrial. Por ejemplo,
administrando isotopos radiactivos a animales y vegetales que pueden ser seguidos en su
trayectoria por un detector apropiado, se aclaran muchos problemas de la fisiología de animales y
plantes. Un ejemplo concreto lo tenemos en la radiación de la glándula tiroides con el yodo, así
como la enfermedad denominada bocio que ha sido estudiada en nuestro país por investigadores
del IVIC (Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas), quienes han utilizado yodo radiactivo
que puede captarse en todo su recorrido por el organismo, hasta fijarse en la tiroides. Utilizando
calcio radiactivo, puede estudiarse la velocidad de formación de los huesos, y el papel de la
vitamina D, en este proceso. El cobalto radiactivo está siendo utilizado para combatir eficazmente
el cáncer y los tumores malignos. Isotopos radiactivos se utilizan en unidades de medicina nuclear
para diagnosticar y curar enfermedades.
Los radioisótopos, también constituyen un medio para luchar contra el Mal de Chagas, bilharziosis
y otras enfermedades que afectan a la población ruralde nuestro país. Además de su aplicación en
el campo de la medicina, los isotopos radiactivos tienen muchas otras aplicaciones.
* Los alimentos irradiados con isotopos tienen una duración superior a la conservación por
refrigeración.
* Usando isotopos en la en la dieta de las aves se aumenta la producción de huevos.
* En la agricultura se han podido obtener nuevas variedades de plantas usando por ejemplo
cobalto radiactivo.
* Para detectar fallas en oleoductos petroleros se “inyectan” isotopos.
* En estas en estaciones generadoras de energía nuclear para producción de electricidad capaz de
abastecer a varias ciudades.
* En motores nucleares que impulsan barcos.
La tabla periódica
Sistema periódico o Tabla periódica, esquema de todos los elementos químicos dispuestos por
orden de número atómico creciente y en una forma que refleja la estructura de los elementos. Los
elementos están ordenados en siete hileras horizontales, llamadas periodos, y en 18 columnas
verticales, llamadas grupos. El primer periodo, que contiene dos elementos, el hidrógeno y el
helio, y los dos periodos siguientes, cada uno con ocho elementos, se llaman periodos cortos. Los
periodos restantes, llamados periodos largos, contienen 18 elementos en el caso de los periodos 4
y 5, o 32 elementos en el del periodo 6. El periodo largo 7 incluye el grupo de los actínidos, que ha
sido completado sintetizando núcleos radiactivos más allá del elemento 92, el uranio (véase
Elementos transuránicos).
Los grupos o columnas verticales de la tabla periódica fueron clasificados tradicionalmentede
izquierda a derecha utilizando números romanos seguidos de las letras “A” o “B”, en donde la “B”
se refiere a los elementos de transición. En la actualidad ha ganado popularidad otro sistema de
clasificación, que ha sido adoptado por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC,
siglas en inglés). Este nuevo sistema enumera los grupos consecutivamente del 1 al 18 a través de
la tabla periódica.
Organización de la tabla periódica
La mayoría de las tablas periódicas presentan las características y propiedades de los elementos
con base en una clave o referencia que incluye símbolo, configuración electrónica, número
atómico, masa atómica y en algunos casos estado físico y número(s) de oxidación.
La organización general de la tabla periódica viene dada por la existencia de 18 columnas
verticales enumeradas en romanos y las cuales corresponden a los grupos A y a los metales de
transición (subgrupos) B, separación entre los metales y los no metales.
A continuación se ofrece una breve descripción de los diferentes grupos de la tabla periódica:
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El grupo IA, los metales alcalinos, son tan reactivos que en la naturaleza siempre se encuentran
combinados con otros elemento. Tienen un punto de fusión bajo y, en comparación con otros
metales son blandos.
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El grupo IIA, los elementos alcalinotérreos, son menos reactivos que los metales alcalinos, pero lo
suficiente como para no existir libres en la naturaleza. Generalmente son buenos conductores de
electricidad, arden fácilmente en el aire y son frágiles y maleables.
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Los metales de transición, los treinta elementos químicos comprendidos entre los grupos IIIB y IIB
se conocen con el nombre de metales o elementos de transición. Generalmente tienen densidades
y puntos de fusión elevados, y presentan propiedades magnéticas.
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Otros metales, los grupos del IIIA al VIA, contienen metales y no metales. En estos grupos, los
metales poseen propiedades muy diferentes. Por ejemplo, el Galio funde en contacto con nuestra
mano,mientras el antimonio lo hace a una temperatura de 631°C.
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Los grupos del IIIA al VIA contienen metales y no metales. Las propiedades de los no metales
difieren enormemente entre sí. Algunos son gases a temperatura ambiente, mientras que otros
son sólidos. Varios de ellos, como el carbono, el oxigeno y el nitrógeno, son elementos clave para
la vida.
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Los halógenos, a los elementos del grupo VIIA se les conoce con el nombre de halógenos. Son
sumamente reactivos. En combinación con el sodio, cada uno de ellos forma una sal semejante a
la sal común (cloruro de sodio).
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Los gases nobles, a los elementos del grupo VIIIA se les conoce como gases nobles (también como
gases inertes). Todos son gaseosos a temperaturaambiente. Durante mucho tiempo se pensó que
eran químicamente inertes, sin embargo ahora se sabe que los más pesados pueden reaccionar
con notros elementos.
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Los lantánidos, esta serie está constituida por los elementos de numero atómico comprendido
entre 57 (lantano) y 70 (iterbio). También se les denomina “tierras raras”. Poseen propiedades
químicas similares, por lo que resulta muy difícil separar unos de otros.
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Los actínidos, esta serie está constituida por los elementos de numero atómico comprendido entre
89 (actinio) y 102 (nobelio). La mayoría de ellos no se han encontrado en la naturaleza, pero han
sido obtenidos artificialmente. Todos son radiactivos.
Propiedades periódicas
La tabla periódica y la configuración electrónica tienenrelación tanto para los grupos como para
los periodos. Por ejemplo, los grupos: si observamos la configuración electrónica de los elementos
del grupo IA veremos que todas tienen en común un electrón en su último nivel o capa. El número
de valencia también coincide con el número del grupo y con el número de electrones del último
nivel.
Una revisión de los otros grupos repetirá esta regularidad, los elementos del grupo IIA tienen dos
electrones en su última capa o nivel de energía, los del grupo IIA, tendrán tres electrones y así
sucesivamente hasta llegar al grupo VIIIA, los cuales tendrán ocho electrones en su última capa,
excepto el Helio (He) que posee únicamente dos electrones en su único nivel de energía. Los
átomos de un mismo grupo contienen en su último nivel de energía el mismo número de
electrones de valencia.
Esta regularidad se cumple para los elementos típicos, que forman los grupos de la tabla periódica;
los metales de transición, de allí su nombre, y que forman los subgrupos no siempre cumple con
esta regularidad, basta citar el caso del Manganeso cuya configuración es K2 L8 M13 N2 y
pertenecen al subgrupo VIIB.
Para el caso de los períodos, por ejemplo el primer periodo, formado por dos elementos tiene un
solo nivel de energía K; al segundo período sus ocho elementos contienen dos niveles de energía
K, L. Vale decir que el número del período es igual al número de capas o niveles de energía de los
elementos de ese período. Así los elementos del séptimo período, por ejemplo, sus átomos tienen
siete niveles de enrgía. Los átomos de un mismo períodoposeen el mismo número de niveles de
energía.
Aquí se muestra la
Separación de la tabla
S d p periódica en bloques
De elementos según el
F llenado de las orbitales
de valencia.
Las propiedades periódicas de los elementos, son función periódica de sus números atómicos. En
consecuencia las variaciones de estas propiedades dependen de las configuraciones electrónicas,
en especial de la configuración de la capa mas externa que este ocupada por electrones y de su
distancia con respecto al núcleo
El radio atómico es la distancia del núcleo a los electrones mas externos; al ir de izquierda a
derecha atravesando un periodo de la tabla periódica, los radios atómicos de los elementos
representativos disminuyen en forma regular a medida que se le agregan electrones a
determinado nivel de energía. Al aumentar la carga nuclear y añadirse electrones al mismo nivel
de energía principal, el aumento de carga nuclear atrae a la nube electrónica más cerca del núcleo.
Al descender por un grupo se observa que los radios atómicos aumentan cuando se añaden más
electrones a los niveles de mayor energía.
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Radios atomicos
En la figura anterior se representa la variación del radio atómico de los elementos de los grupos
(A) de los elementos típicos; para los elementos de transición las variaciones no son tan regulares
porque se están añadiendo electrones en una capa interna.
Por su parte los radios iónicos están siempre relacionadoscon los radios de los átomos neutros
correspondientes: los iones negativos tienen radios más grandes que los correspondientes átomos
neutros, mientras que los iones positivos tienen radios más pequeños. En la siguiente figura se
ilustra la tendencia general de los radios iónicos.
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Radios ionicos
El potencial de ionización corresponde a la cantidad mínima de energía que se requiere para
remover el electrón de un átomo en estado normal y formar un ion.
En general en un grupo de la tabla periódica el potencial de ionización decrece al aumentar el
número atómico del elemento, o sea decrece de arriba hacia abajo. En cada en cada periodo la
energía de ionización aumenta de izquierda a derecha, pero este incremento no es totalmente
regular. Las tendencias en las energías de ionización están relacionadas con el tamaño atómico: a
mayor radio, menor es la energía de ionización.
El concepto de energía o potencial de ionización también se aplica al proceso de separar el
electrón mas débilmente ligado de un átomo que ya ha perdido uno o más electrones (es decir, de
un ion).
La afinidad electrónica (electronegatividad) es un término cuantitativo difícil de medir que
aumenta al recorrer un periodo de izquierda a derecha y al ir de abajo hacia arriba en un mismo
grupo.
Está representada por la capacidad de un átomo para atraer y sostener los electrones de enlace. El
flúor (F) es el elemento con la capacidad más grande para atraerelectrones, es decir el más
electronegativo. El cesio (Cs) y el francio (Fr) son los elementos que sostienen mas débilmente los
electrones y tienen el valor más bajo.
La afinidad electrónica puede emplearse para predecir el tipo de enlace con bastante exactitud.
Los elementos con grandes diferencias de electronegatividad tienden a reaccionar entre sí para
formar compuestos iónicos. El elemento menos electronegativo es el que cede el o los electrones
al elemento más electronegativo para formar el enlace correspondiente (iónico).
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Electronegatividad
El carácter electroquímico: cada período a excepción del primero, si inicia con un metal alcalino,
los cuales tienen tendencia a ceder electrones (electropositivos) cuando reaccionan químicamente
y forman iones positivos. En los metales alcalinos (grupo IA) esta tendencia es muy marcada. A
medida que avanzamos a lo largo de un período esta tendencia va disminuyendo y aumenta la
tendencia a ganar electrones (electronegatividad), exceptuándose los gases nobles.
Por otra parte el carácter electroquímico aumenta al descender en un grupo.
Carácter metálico aumenta
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Carácter metálico y carácter no metálico
Carácter no metálico aumenta
Carácter ácido aumenta
Carácter básico disminuye
Carácter básico disminuye
Carácter ácido y carácter básico
Carácter ácido aumenta
En las dos figuras presentadas anteriormente se resume la variación general del carácter metálico
y no metálico y las variaciones del carácter ácido-básico en la tabla periódica.