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Las claves para entender la tabla periódica (y si la piedra filosofal tiene sentido)

 

La tabla periódica de los elementos no sólo recoge de forma ordenada los átomos que constituyen el universo conocido. Su existencia se ha ido construyendo a lo largo de la historia como si de un puzle inacabable se tratase. A continuación, veremos algunos de los mayores misterios de la tabla periódica.

tabla periódica
Tabla periódica de los elementos

En cada periodo, cuanto más pesado, más pequeño

Como su propio nombre indica, la tabla periódica contiene una ordenación lógica y regular de los elementos químicos conocidos. De esta forma, se puede observar una tendencia más o menos uniforme en cada una de las propiedades atómicas a lo largo de cada periodo (fila). Una de estas propiedades es el radio atómico, que está directamente relacionado con el tamaño de los átomos de cada elemento.

Recordemos que las dimensiones de un átomo dependen fundamentalmente de los electrones que contenga. Esto es debido a que las fuerzas que mantienen las partículas del núcleo unidas son extraordinariamente fuertes y lo confinan a una fracción muy pequeña del espacio total del átomo. A menudo, se utiliza la analogía del campo de fútbol para poder visualizarlo y obtener una idea aproximada del tamaño relativo del núcleo dentro del átomo.

Analogía del campo de fútbol: Aunque sabemos que el átomo tiene un tamaño tan pequeño que es difícilmente comprensible para la mente humana, podemos utilizar esta analogía para entender que una gran parte del espacio que ocupa el átomo es sólo eso: espacio vacío. Así pues, si pudiéramos ver un átomo a gran tamaño, tan grande como un campo de fútbol, entonces su núcleo (con sus protones y neutrones) sería del tamaño de un guisante en medio del campo. Todo el espacio comprendido entre el guisante y la periferia del estadio, donde están los electrones, estaría completamente vacío. Y, por tanto, es la distancia que hay de los electrones al centro del átomo la que determina el tamaño de dicho átomo.

Dicho esto, se puede deducir que cuando avanzamos en un periodo hacia la derecha de la tabla periódica, o en un grupo (columna) hacia abajo, los átomos serán de mayor tamaño puesto que su peso es mayor. Este razonamiento, a priori, parece bastante lógico, ya que si un átomo pesa más es porque tiene más protones y neutrones y, por lo tanto, más electrones. Sin embargo, si bien es cierto que la predicción se cumple a lo largo de los grupos, no lo hace para los periodos. Los átomos de los elementos disminuyen su tamaño a lo largo de cada periodo, o sea, que cuanto más pesados, más pequeños son.

Este inesperado (pero no por ello menos lógico) fenómeno de la tabla periódica está relacionado con lo que se conoce como apantallamiento o efecto pantalla de los electrones más internos. A lo largo de los distintos elementos de la tabla periódica, lo electrones van rellenando “capas” o niveles, que corresponden a cada uno de los periodos, por lo que los electrones en cada periodo están en el mismo nivel y, por tanto, a la misma distancia del núcleo.

Tras estos conceptos, empieza a hacerse evidente que al avanzar en un periodo el nuevo electrón pasa a formar parte del mismo nivel que ya ocupaban lo anteriores, por lo que no aporta “tamaño extra” al átomo. Sin embargo, el efecto del nuevo protón en el núcleo hace que la carga nuclear efectiva que perciben los electrones de ese nivel aumente considerablemente (sin que aumente el efecto pantalla, ya que el número de electrones internos es el mismo). Así, se produce una compresión del radio de dicho nivel y, con ello, la disminución del tamaño del átomo. Cuando más pesado, más pequeño (pero más denso, claro).

La gallina de los huevos de oro: la piedra filosofal

Desde tiempos inmemoriales, el hombre ha tratado de alcanzar un sueño de forma recurrente: enriquecerse mediante la transmutación química. A lo largo de los siglos, los alquimistas intentaron una y otra vez la crisopea o chysopoeia, es decir, crear oro y otros metales preciosos a partir de elementos más abundantes o económicos.

Para llevar a cabo aquellos experimentos, recurrieron a todo tipo de artificios a cuál más estrambótico, como la creación de la todavía ilusoria piedra filosofal. Sin embargo, sabemos que ninguno de ellos consiguió el sueño perseguido. Además, a medida que la alquimia fue dando paso a la química como ciencia, numerosos científicos descartaron que la transmutación entre elementos de la tabla periódica fuese una posibilidad real y tacharon de charlatanes a aquellos que lo seguían defendiendo. Hoy en día, sabemos que la transmutación de elementos SÍ es posible.

piedra filosofal
La alquimia para obtener la piedra filosofal

Como ya se ha visto, los átomos están formados por electrones, neutrones y protones. Veamos qué ocurre al variar cada uno de estos tres parámetros. Al cambiar el número de electrones de un átomo concreto, se obtiene ese mismo elemento en un estado de oxidación diferente al inicial. Por otro lado, si lo que se modifica es la cantidad de neutrones, también sigue siendo el mismo elemento, pero en este caso se trata de un isótopo distinto. Por último, si a un átomo se le cambia el número de protones, entonces sencillamente dejará de ser el mismo elemento de la tabla periódica.

Esto quiere decir que la señal de identidad de cada elemento de la tabla periódica es el número de protones que contenga en su núcleo, su “DNI”. Aunque en la antigüedad se desconocían las partículas subatómicas y por eso no se consiguió, no había más que modificar la cantidad de protones del plomo para conseguir transformarlo en oro y lograr, así, la tan deseada transmutación química. Pero, ¿cómo conseguirlo? Es evidente que mediante reacciones químicas la respuesta es NO, ya que éstas sólo “juegan” con los electrones más externos de los átomos que están reaccionando.

Para lograr modificar el núcleo de un átomo, es necesario recurrir a las reacciones nucleares. De hecho, desde que Ernest Rutherford consiguiera la primera transmutación artificial en 1919, bombardeando átomos de nitrógeno con partículas α, la comunidad científica ha conseguido transformar unos elementos en otros en incontables ocasiones.

Los átomos que en realidad no existen

Para llevar a cabo una reacción nuclear “solamente” hace falta un acelerador de partículas y una cantidad enorme de energía. Desde el experimento de Rutherford, no sólo se ha conseguido transformar unos átomos en otros gracias a las reacciones nucleares, como hemos visto, sino que además se han creado elementos hasta la fecha desconocidos.

En el siglo XIX, el químico ruso Dmitri Mendeléyev escribió en tarjetas los elementos conocidos en aquel entonces. Después, como si se tratara de un juego de cartas, decidió organizar las tarjetas en columnas según la similitud de sus propiedades químicas y ordenarlas en función de sus masas atómicas. Observó una tendencia en el orden de los elementos, un patrón de periodicidad, y se atrevió a dejar tarjetas vacías en aquellos lugares en los que se intuía que se hallarían elementos todavía por descubrir. En la actualidad, todos los elementos que Mendeléyev predijo ya han sido descubiertos.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que muchos de los elementos descubiertos no han sido observados nunca en la naturaleza. De hecho, sólo 90 de los elementos de la tabla periódica lo han sido, el resto se han creado artificialmente y se desconoce su existencia en el universo. La pregunta es: ¿hemos creado materia que no existe?

Los límites de la tabla periódica

El 28 de noviembre de 2016, la International Union of Pure and Applied Chemistry (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), IUPAC, añadió a la tabla periódica los nombres oficiales de los últimos elementos químicos descubiertos, correspondientes a las posiciones 113, 115, 117 y 118. De esta forma, se ha terminado de rellenar el séptimo y último periodo de la tabla. Por lo tanto, todos los huecos disponibles en dicha tabla están, a día de hoy, ocupados.

¿Significa esto que ya no quedan elementos por descubrir? ¿Habrá que ampliar la tabla periódica si se comienzan a descubrir elementos aún más pesados que el 118? Afortunadamente, los científicos ya están trabajando en ello y muchos son optimistas en este sentido. Esperemos que no tarde en resolverse este nuevo misterio de la ciencia.

 

www.iupac.org

 

About CVF

Doctora en Química Física. Ha estudiado varios másteres tras la licenciatura, relacionados tanto con la ciencia como con la enseñanza de la misma, y ha publicado diversos artículos en revistas de investigación de cobertura mundial durante su doctorado. Gran amante de las ciencias, el arte en todas sus vertientes, el deporte y la transmisión del conocimiento, la difusión y la divulgación. "La Web 2.0 es uno de los mayores avances de nuestro tiempo y hemos de esforzarnos en aprovechar todo su potencial".

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