Tabla periódica de los elementos

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Tabla periódica de los elementos

La tabla periódica de los elementos (o simplemente la tabla periódica o tabla de Mendeleev ) es el esquema por el cual los elementos químicos se ordenan en función de su número atómico Z y el número de electrones presentes en los orbitales atómicos s , p , d , f .

Es la primera y más utilizada versión de la tabla periódica, concebida en 1869 por el químico ruso Dmitry Ivanovich Mendeleev [1] e, independientemente, por el químico alemán Julius Lothar Meyer [2] ; en un principio contaba con numerosos espacios vacíos para los elementos previstos por la teoría, algunos de los cuales sólo se habrían descubierto en la segunda mitad del siglo XX .

Sinopsis y evolución histórica

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Descubrimiento de elementos químicos .
Una representación de los elementos de John Dalton (" Un nuevo sistema de filosofía química ", 1808 ).

Durante la historia de la química , a medida que se fueron descubriendo más y más elementos , se hizo necesario introducir una notación simbólica que permitiera escribirlos de una manera universal, concisa y única. Por lo tanto, los estudiosos crearon varias listas en las que se indicaban los símbolos de los elementos químicos.

A medida que aumentaba el número de elementos conocidos, se hizo evidente la necesidad de agruparlos siguiendo un criterio lógico inequívoco. Los primeros intentos de agrupación fueron realizados por Johann Wolfgang Döbereiner, quien agrupó elementos con características químicas similares en tres por tres. El trabajo continuó en esa dirección hasta la primera tabla periódica real, concebida por Mendeleev , que ordenó los elementos según su peso atómico y aprovechó la periodicidad de las propiedades químicas para unir elementos con propiedades químicas similares en los mismos grupos . Recién en 1913 , para remediar las inconsistencias encontradas en algunos elementos debido fundamentalmente a su presencia en la naturaleza como mezcla de varios isótopos en distintos porcentajes, el químico Moseley propuso una agrupación según el número atómico, linealmente creciente e independiente de la cantidad neutrónica.

La tabla periódica de Mendeleev, salvo algunas pequeñas modificaciones, es la tabla periódica que todavía usamos hoy. Con el paso de los años, se sintetizan nuevos elementos y se suman al resto de elementos de la tabla periódica, que en todo caso conserva las características de periodicidad observadas por Mendeleev.

Primeros intentos de esquematización

Lista de elementos de Antoine Lavoisier.

En 1789 Antoine Lavoisier publicó una lista de 33 elementos químicos , agrupándolos en gases , metales , no metales y tierras; [3] [4] Los químicos pasaron el siglo siguiente buscando un esquema de clasificación más preciso. En 1829, Johann Wolfgang Döbereiner observó que la mayoría de los elementos podían agruparse en grupos de tres en función de sus propiedades químicas. Por ejemplo, el litio , el sodio y el potasio se agruparon como metales blandos y reactivos. Döbereiner también observó que, al comparar sus pesos atómicos , el del segundo era aproximadamente igual al promedio de los del primero y el tercero; [5] esto se conoció como la "ley de las tríadas". [6]

El químico alemán Leopold Gmelin trabajó con este sistema y, en 1843 , identificó 10 tríadas, tres grupos de 4 y uno de 5. [7] Jean Baptiste Dumas publicó un trabajo en 1857 en el que describía las relaciones entre los distintos grupos de metales. . [7] Aunque varios químicos pudieron identificar relaciones entre pequeños grupos de elementos, tuvieron que construir un patrón que los vinculara a todos. [5] En 1858, el químico alemán August Kekulé observó que el carbono a menudo tiene 4 átomos unidos. El metano, por ejemplo, tiene un átomo de carbono y 4 átomos de hidrógeno . Este concepto finalmente se conoció como valencia y se sigue de este concepto que diferentes elementos se unen con un número diferente de átomos. [8]

En 1862 el geólogo francés Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois publicó una primera forma de tabla periódica, a la que denominó "Vis tellurique", es decir, "tornillo telúrico", [9] debido a que en esta configuración de tornillo el telurio asumía el posición central. [10] Fue la primera persona en notar la periodicidad de los elementos. Con elementos colocados en espiral sobre un cilindro, de Chancourtois demostró que elementos con características similares parecían aparecer a intervalos regulares. Su tabla incluía algunos iones y compuestos además de los elementos. También usó términos geológicos en lugar de químicos en su tabla y no incluyó un diagrama; como resultado, recibió poca atención hasta el trabajo de Dmitry Mendeleev . [11]

En 1864 el químico alemán Julius Lothar Meyer publicó una tabla con 44 elementos colocados en orden de valencia. La tabla mostró que los elementos con propiedades similares a menudo compartían la misma valencia. [12] En el mismo período, el químico inglés William Odling publicó un esquema de 57 elementos, ordenados según su peso atómico. Aunque con algunas irregularidades y huecos, se dio cuenta de que parecía haber una periodicidad de los pesos atómicos entre los elementos y que esto concordaba con "la agrupación que solían recibir". [13] Odling aludió a la idea de una ley periódica pero no la siguió. [14] Más tarde (en 1870 ) publicó una clasificación de elementos basada en la valencia . [15]

Una tabla periódica de Newlands presentada a la Sociedad Química en 1866, basada en la Ley de Octavas .

El químico inglés John Newlands produjo una serie de hojas de 1863 a 1866 , señalando que cuando los elementos se ordenaron en orden de peso atómico creciente, se produjeron propiedades físicas y químicas similares en intervalos de 8, comparó esta periodicidad con octavas de música . [16] [17] Esta supuesta Ley de Octavas , sin embargo, fue ridiculizada por los contemporáneos de Newlands y la Sociedad Química se negó a publicar su trabajo. [18] Sin embargo, Newlands bosquejó una tabla de los elementos y la usó para predecir la existencia de elementos faltantes, como germanio [19] , galio y escandio. La Sociedad Química reconoció la importancia de estos descubrimientos solo 5 años después de otorgar a Mendeleev. [20]

En 1867 Gustavus Hinrichs , un químico académico nacido en Dinamarca y que trabajaba en los Estados Unidos , publicó un sistema periódico en espiral basado en pesos y espectros atómicos y similitudes químicas. Su modelo fue considerado extraño, llamativo y complicado y esto probablemente obstaculizó su reconocimiento y aceptación. [21] [22]

Tabla periódica de Mendeleiev

Tabla periódica de Mendeleiev original.

En 1870, el químico alemán Julius Lothar Meyer publicó una versión ampliada de su tabla periódica de 1864 . [23] Independientemente, el profesor de química ruso Dmitry Mendeleev publicó su primera tabla periódica en 1869 . [24] En las tablas periódicas de Meyer y Mendeleev los elementos estaban ordenados en filas y columnas, en orden de peso atómico y comenzaban una nueva fila o columna cuando las características de los elementos comenzaron a repetirse. [25]

Entre los dos, se adoptó la tabla de Mendeleev porque era más precisa que la tabla de Meyer por dos razones:

  • en primer lugar había espacios vacíos (entendió que sin ellos la tabla periódica no podía ser precisa), asumiendo que los elementos correspondientes a esos espacios vacíos aún no habían sido descubiertos; [26] Mendeleev no fue el primer químico en hacer esto, pero fue el primero a quien se le reconoció en usar las tendencias en su tabla periódica para predecir las propiedades de esos elementos faltantes, como el galio y el germanio ; [27]
  • en segundo lugar, Mendeleev decidió ignorar ocasionalmente el orden sugerido por los pesos atómicos e intercambiar elementos adyacentes para hacerlos entrar en la columna con sus propias propiedades químicas .

Cuando se desarrollaron las teorías de la estructura atómica , se comprendió que Mendeleev, sin saberlo, había ordenado los elementos en orden de número atómico o carga nuclear creciente. [28] La importancia de los números atómicos en la organización de la tabla periódica no se apreció hasta que se descubrió la existencia de protones y neutrones . Las tablas periódicas de Mendeleev usaban la masa atómica en lugar del número atómico para organizar los elementos, información que podía determinarse con buena precisión en su época. Como se señaló, la masa atómica funcionó lo suficientemente bien en la mayoría de los casos como para dar una representación que pudiera predecir las propiedades de los elementos faltantes con mayor precisión que cualquier otro método. La sustitución con números atómicos proporcionó una secuencia definitiva, basada en los números enteros de los elementos, que todavía se utilizan hoy en día incluso cuando se producen y estudian nuevos elementos sintéticos.

Desarrollos posteriores

En 1871, Mendeleev publicó una forma actualizada de la tabla periódica, dando también predicciones precisas sobre los elementos que había notado que faltaban pero que deberían haber existido. [29] Estos vacíos se llenaron en secuencia a medida que los químicos descubrieron nuevos elementos encontrados en la naturaleza. Además, el descubrimiento de los gases " raros " o "nobles", entre 1885 y 1890 , llevó a la adición de un octavo grupo, que es una columna a la derecha de los siete indicados por Mendeleev.

Con el desarrollo de la mecánica cuántica se hizo evidente que cada período (fila) correspondía al llenado de los niveles de energía caracterizados por el mismo número cuántico principal . Los átomos más grandes tienen múltiples orbitales de electrones con el mismo número cuántico principal, por lo que las tablas posteriores han requerido períodos cada vez más largos. [30] . En consecuencia, en 1905 , Alfred Werner propuso un modelo extendido de una tabla periódica en 32 columnas, en el que se insertaron lantánidos y actínidos y elementos de transición entre el segundo y tercer grupo de Mendeleev. Esta propuesta fue modificada por Paul Pfeiffer en 1920 , quien redujo la tabla a 18 columnas, como todavía se representa hoy, colocando los lantánidos y actínidos en una sola línea debajo de la mesa. [31] Aunque en la naturaleza se encuentran pequeñas cantidades de algunos elementos transuránicos (más pesados ​​que el uranio), [32] todos estos elementos se han descubierto en el laboratorio. Su producción amplió significativamente la tabla periódica. El primero de ellos fue el neptunio , sintetizado en 1939 . [33] Dado que muchos de los elementos transuránicos son muy inestables y se descomponen rápidamente, es difícil identificarlos y estudiar sus características. Ha habido controversia sobre el descubrimiento de algún elemento anunciado en competición por varios laboratorios; esto requirió revisiones independientes para determinar qué equipo de investigación tenía prioridad y, en consecuencia, el derecho a nombrar el artículo.

En 1943, el químico estadounidense Glenn Seaborg sintetizó plutonio ; [34] dos años más tarde (en 1945) sugirió que los actínidos , como los lantánidos , tenían el suborbital f completo; de hecho, anteriormente se pensaba que los actínidos formaban una cuarta línea en el orbital d. La hipótesis de Seaborg fue probada más tarde y en 1951 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo sobre la síntesis de actínidos. [35] [36] A partir de este momento los lantánidos y actínidos fueron representados en dos líneas diferentes del bloque f .

En 2010, la colaboración ruso - estadounidense en el laboratorio del Instituto Unido de Investigación Nuclear en Dubna , Rusia, anunció que había sintetizado algunos átomos tennex (elemento 117, en ese momento conocido con el nombre provisional "ununseptio"). [37] En 2012, se aceptaron y nombraron flerovio (elemento 114) y livermorium (elemento 116). [38] El 30 de diciembre de 2015, los elementos 113, 115, 117 y 118 fueron introducidos en la tabla periódica oficial de la IUPAC, completando así el séptimo período de la tabla. [39] Sus nombres oficiales (respectivamente nihonio , moscovio , tennesso y oganesson ) fueron aprobados oficialmente el 28 de noviembre de 2016 [40].

La Asamblea General de las Naciones Unidas ha declarado 2019 "Año Internacional de la Tabla Periódica de Elementos Químicos" con motivo del 150 aniversario de la publicación de la tabla periódica por Dmitrij Mendeleev .

Organización de los elementos

Grupo → 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 dieciséis 17 18
Período ↓
1 1
H.

2
Él
2 3
Allí
4
Bien


5
B.
6
C.
7
No.
8
O
9
F.
10
Ninguno
3 11
N / A
12
Mg


13
Al
14
15
pag.
dieciséis
S.
17
Cl
18
Arkansas
4 19
K.
20
Aprox.
21
Carolina del Sur

22
usted
23
V.
24
Cr
25
Minnesota
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Georgia
32
Ge
33
Como
34
Uno mismo
35
Br
36
Kr
5 37
Rb
38
Sr.
39
Y

40
Zr
41
Nótese bien
42
Mes
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
CD
49
En
50
Sn
51
Sb
52
usted
53
LOS
54
Xe
6 55
Cs
56
Licenciado en Letras
57
Allí
*
72
Hf
73
Ejército de reserva
74
W
75
Rey
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Poco
85
A
86
Rn
7 87
P.
88
Real academia de bellas artes
89
ANTES DE CRISTO
**
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Monte
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Nueva Hampshire
114
Florida
115
Mc
116
Lv
117
Ts
118
Og

* Lantanoides 58
Hay
59
Pr
60
Dakota del Norte
61
Pm
62
Sm
63
UE
64
Di-s
sesenta y cinco
Tuberculosis
66
Dy
67
yo tengo
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
** Actinoides 90
Th
91
Pensilvania
noventa y dos
U
93
Notario público
94
Pu
95
Soy
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Ex
100
Fm
101
Maryland
102
No
103
Lr


Serie química de la tabla periódica
Metales alcalinos Metales alcalinotérreos Lantanoides Actinoides Elementos de transición
Bloque de metales p Semi-metales No metales Halógenos Gases nobles

Leyenda de los colores de los números atómicos :

  • los elementos numerados en azul son líquidos en T = 298 K yp = 100 kPa ;
  • los que están en verde son gases a T = 298 K yp = 100 kPa;
  • los de negro son sólidos a T = 298 K yp = 100 kPa;
  • los que están en rojo son artificiales y no están presentes de forma natural en la Tierra (todos son sólidos a T = 298 K yp = 100 kPa). El tecnecio y el plutonio están presentes en cantidades mínimas en las minas de uranio , las gigantes rojas y los restos de supernovas .

En la tabla periódica moderna los elementos se colocan progresivamente en cada período de izquierda a derecha de acuerdo con la secuencia de sus números atómicos, comenzando una nueva línea después de un gas noble . El primer elemento de la siguiente línea es siempre un metal alcalino con un número atómico mayor que una unidad en comparación con el del gas noble (por ejemplo, después del criptón , un gas noble con el número atómico 36, una nueva línea comienza con rubidio , un metal alcalino con el número atómico 37).

Dado que los elementos se colocan en secuencia según el número atómico, la serie de los elementos a veces se especifica mediante términos como "hasta" (por ejemplo, hasta el hierro ), "más allá" (por ejemplo, más allá del uranio ) o " desde… hasta "(por ejemplo, de lantano a lutecio ). A veces, los términos "ligero" y "pesado" también se utilizan informalmente para denotar números atómicos relativos (no densidades ), como en los términos "más ligero que el carbono " o "más pesado que el plomo ", aunque técnicamente el peso o la masa de los átomos de los elementos (sus pesos atómicos o masas atómicas) no siempre aumentan monótonamente con sus números atómicos. Por ejemplo, el telurio , elemento 52, es en promedio más pesado que el yodo , elemento 53. [41]

El hidrógeno y el helio se colocan a menudo en lugares distintos a los que indicarían sus configuraciones electrónicas: el hidrógeno generalmente se coloca sobre el litio , de acuerdo con su configuración electrónica, pero a veces se coloca sobre el flúor [42] o incluso sobre el carbono , [42] ya que se comporta de manera similar a ellos. El helio casi siempre se coloca encima del neón , ya que son químicamente muy similares. [43]

La importancia de los números atómicos para la organización de la tabla periódica no se apreció hasta que se aclararon la existencia y las propiedades de los protones y neutrones. Como se mencionó anteriormente, las tablas periódicas de Mendeleev usaban en cambio pesos atómicos, información que era determinable en su día con una precisión aceptable, que funcionó lo suficientemente bien en la mayoría de los casos como para ofrecer una presentación predictiva poderosa, mucho mejor que cualquier otra. entonces posibles elementos químicos. La sustitución de números atómicos, una vez entendida, dio una secuencia definitiva para los elementos, basada en números enteros, que todavía se utilizan hoy en día incluso cuando se están produciendo y estudiando nuevos elementos sintéticos. [44]

Métodos de agrupación

Grupos

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Grupo de tabla periódica .

Los grupos (o familias) agrupan los elementos que se encuentran en la misma columna de la tabla periódica.

Cada grupo incluye elementos que tienen la misma configuración electrónica externa (es decir, la forma en que los electrones se organizan alrededor del núcleo ); dado que las propiedades químicas de los elementos dependen de su configuración electrónica, dentro de cada grupo hay elementos con características químicas similares (es decir, que se comportan de manera similar durante las reacciones químicas ) y muestran una clara tendencia de las propiedades a lo largo del grupo (que es asociado con el aumento del peso atómico ). [45]

Bajo el sistema de nomenclatura internacional, los grupos se indican numéricamente del 1 al 18 desde la columna más a la izquierda (los metales alcalinos) a la columna más a la derecha (los gases nobles). [46] Los sistemas de nombres más antiguos diferían ligeramente entre Europa y los Estados Unidos de América . [47]

A algunos de estos grupos se les ha dado nombres sistemáticos, tales como metales alcalinos , metales alcalinotérreos , pnicógenos , calcógenos , halógenos y gases nobles . Sin embargo, algunos otros grupos, como el grupo 4 , se indican simplemente con los números correspondientes, ya que muestran menos similitudes y / o tendencias en la dirección vertical. [46]

Las modernas teorías de la mecánica cuántica de la estructura atómica explican las tendencias grupales al proponer que los elementos dentro del mismo grupo generalmente tienen las mismas configuraciones electrónicas en su capa de valencia , [48] que es el factor más importante para explicar sus propiedades similares.

Considerando los elementos pertenecientes a un mismo grupo, se observan variaciones monótonas del radio atómico , de la energía de ionización y de la electronegatividad . En particular, moviéndose de arriba hacia abajo en un grupo, los radios atómicos de los elementos aumentan. Dado que hay más niveles de energía llenos, los electrones de valencia se encuentran más lejos del núcleo. Desde arriba, cada elemento sucesivo tiene una energía de ionización más baja porque es más fácil alejar un electrón, ya que los electrones están menos unidos. De manera similar, un grupo generalmente exhibe una disminución de la electronegatividad de arriba hacia abajo, debido a una distancia cada vez mayor entre los electrones de valencia y el núcleo. [49]

Periodos

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: período de la tabla periódica .

Los períodos (o series) agrupan los elementos que están en la misma fila de la tabla periódica.

Cada período comienza con un elemento cuyo átomo tiene como configuración electrónica externa un electrón de tipo ns , donde n es el número cuántico principal, y avanzando hacia los siguientes átomos (más a la derecha en la misma línea), el número atómico Z aumenta. por una unidad en cada paso; [41] por tanto, los elementos del mismo período tienen el mismo nivel de energía. Aunque el comportamiento químico de los elementos está fuertemente influenciado por el grupo al que pertenecen, hay regiones donde los elementos que muestran propiedades químicas más similares son los que pertenecen al mismo período, como en el caso del bloque f, donde se forman lantánidos y actínidos. dos series de elementos de tipo horizontal. [50]

Considerando los elementos pertenecientes a un mismo período, se observan variaciones monótonas del radio atómico, de la energía de ionización, de la afinidad electrónica y de la electronegatividad . En particular, al moverse de izquierda a derecha a lo largo de un período, el radio atómico generalmente disminuye. Esto sucede porque cada elemento sucesivo tiene un protón y un electrón más que el anterior, por lo que la fuerza con la que se atraen los electrones hacia el núcleo es mayor. [51] Esta disminución en el radio atómico también hace que la energía de ionización aumente a medida que uno se mueve de izquierda a derecha a lo largo de un período. Cuanto más unido esté un elemento, mayor será la energía necesaria para alejar un electrón. La electronegatividad aumenta de la misma forma que la energía de ionización debido a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones. [49] La afinidad electrónica también varía al moverse de un lado a otro de un período. Los metales (lado izquierdo de un período) generalmente tienen menor afinidad electrónica que los no metales (lado derecho de un período), con la excepción de los gases nobles. [52]

Bloques

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Un diagrama de la tabla periódica, que resalta los diferentes bloques.

Debido a la importancia de la capa de electrones más externa, las diferentes regiones de la tabla periódica a veces se denominan bloques de la tabla periódica , nombrados así por la subcapa en la que reside el "último" electrón. [43] El bloque s comprende los dos primeros grupos (metales alcalinos y metales alcalinotérreos), así como hidrógeno y helio . El bloque p incluye los últimos seis grupos, que corresponden a los grupos 13 a 18 en la numeración IUPAC (3A a 8A en la estadounidense), y contiene, entre otros, todos los semimetales . El bloque d comprende los grupos del 3 al 12 de acuerdo con la numeración IUPAC (o del 3B al 2B en el de EE.UU.) y contiene todos los metales de transición . El bloque f , generalmente ubicado debajo del resto de la tabla periódica, incluye los lantánidos y actínidos . [53]

Otras convenciones y variaciones

Al presentar la tabla periódica, los lantánidos y actínidos a menudo se muestran como dos líneas adicionales debajo del cuerpo principal, [54] con un marcador de posición o cierto elemento de la serie ( lantano o lutecio , y actinio o laurencio , respectivamente) que se muestran en un solo espacio. de la mesa principal, entre bario y hafnio , y radio y rutherfordio , respectivamente. Esta convención es completamente una cuestión de estética y practicidad del formato. Una tabla periódica de "formato ancho" coloca la serie de lantánidos y actínidos en los lugares apropiados, como partes de las filas sexta y séptima de la tabla periódica.

Tabla periódica con el bloque f en la posición estándar.

Algunas tablas periódicas incluyen una línea divisoria entre metales y no metales [55] . Varias otras categorías de elementos podrían destacarse en una tabla periódica: incluyen, por ejemplo , metales de transición , metales posteriores a la transición o metaloides . [56] También se conocen [57] y ocasionalmente se marcan [58] agrupaciones más especializadas como los metales refractarios y los metales nobles , que son subconjuntos, en este caso, de metales de transición.

Cambios periódicos

Propiedades periódicas

Las principales propiedades características de cada elemento que se ha encontrado que se periódica a lo largo de la tabla periódica son:

Las diversas características de los elementos químicos que varían periódicamente se utilizan para categorizar el elemento en sí (como el grupo al que pertenece).

Cambios en las propiedades de los elementos de la tabla periódica.

Más precisamente, el radio atómico aumenta en el mismo grupo a medida que avanza hacia los elementos de abajo [59] y disminuye a medida que avanza de izquierda a derecha en el mismo período; [59] [60] esto se debe al hecho de que al descender en el grupo el número cuántico principal n aumenta y esto hace que el átomo tenga una nube electrónica más desarrollada, [59] mientras va de izquierda a derecha en el período n sigue siendo el mismo, mientras que el número de protones en el interior de los núcleos varía, aumentando las fuerzas nucleares de atracción entre los electrones y el núcleo en torno al cual gravitan, con la consiguiente disminución en el radio atómico. [60]

La energía de ionización , la electronegatividad y la afinidad electrónica disminuyen a medida que descienden en un grupo [61] y aumentan a medida que avanzan de izquierda a derecha durante el período. [61] [62] Esto se debe al hecho de que al descender en el grupo, los electrones en el último nivel de energía son atraídos con una fuerza gradualmente más débil debido a una disminución de las fuerzas nucleares (los átomos son menos electronegativos) y esto disminuye la energía necesaria para romperlos (la energía de ionización disminuye) y la energía liberada cuando el átomo adquiere un electrón (afinidad electrónica). Yendo de izquierda a derecha en un período, por otro lado, los electrones son atraídos cada vez con más fuerza por las fuerzas nucleares (aumenta la electronegatividad) y esto aumenta la energía para arrancar un electrón de él (aumenta la energía de ionización [62]). ) y la energía liberada por la compra de un electrón (afinidad electrónica).

Representaciones alternativas

Ci sono varie tavole periodiche con schemi diversi da quello della tavola periodica standard o comune. È stato stimato che nel corso di 100 anni a partire dalla pubblicazione della tavola di Mendeleev ne siano state pubblicate circa 800 versioni differenti. [63] Oltre alle tante variazioni che si basano sul formato "rettangolare", sono state ideate versioni che si basano su forme più o meno complesse, tra cui ad esempio: forme circolari , cubiche , a cilindro , edili (simili a palazzi), a elica, a simbolo dell'infinito , [64] a prisma ottagonale, piramidali , separate, sferiche , a spirale ea triangolo . Le tavole periodiche alternative sono sviluppate per evidenziare o enfatizzare certe proprietà chimiche e fisiche degli elementi in maniera superiore rispetto a quanto faccia la tavola periodica tradizionale. [63] Un famoso schema alternativo è quello di Theodor Benfey (1960): [65] gli elementi sono posizionati in una spirale continua, con l' idrogeno al centro ei metalli di transizione , i lantanidi e gli attinidi che occupano le protuberanze. [66]

La maggior parte delle tavole periodiche è bidimensionale , [32] nonostante le tavole tridimensionali siano datate perfino al 1862 (precedendo la tavola bidimensionale di Mendeleev del 1869). Esempi più recenti includono la classificazione periodica di Courtine (1925), [67] il sistema a lamina di Wringley (1949), [68] l'ellisse periodica di Giguere (1965) [69] e l'albero periodico di Dufour (1996). [70] La tavola periodica del fisico Stowe rappresenta un caso particolare, in quanto è stata descritta come quadridimensionale (tre dimensioni sono date dallo spazio e una dal colore). [71]

Domande aperte e controversie

Elementi presenti in natura

Sebbene spesso ci si riferisca al francio (chiamato da Mendeleev "eka-cesio") come l'ultimo elemento naturale a essere stato scoperto, [72] il plutonio , prodotto sinteticamente nel 1940, è stato identificato in tracce come un elemento primordiale rintracciabile in natura. Nel 1971 [73] e nel 2012 è stato appurato che tutti gli elementi fino al californio possono essere trovati in natura in quantità minuscole nelle cave di uranio a causa della cattura neutronica e del decadimento beta . [32]

Elementi con caratteristiche chimiche sconosciute

Nonostante tutti gli elementi fino all' oganesson siano stati scoperti, si conoscono le proprietà chimiche degli elementi solo fino all' hassio (elemento 108) e quelle del copernicio (elemento 112). Gli altri elementi potrebbero comportarsi differentemente da quanto previsto per estrapolazione , a causa di effetti relativistici ; per esempio, è stato previsto che il flerovio dovrebbe avere qualche proprietà simile a quelle dei gas nobili , però tuttora è posizionato nel gruppo del carbonio [74] . Esperimenti più recenti, tuttavia, hanno suggerito che il flerovio si comporti chimicamente come il piombo , come ci si aspetta dalla sua posizione nella tavola periodica. [75]

Estensioni più particolareggiate

Non è chiaro se i nuovi elementi continueranno lo schema a periodi di 8 della tavola periodica corrente o avranno bisogno di ulteriori aggiustamenti o adattamenti. Seaborg si aspettava un ottavo periodo, che include un blocco-s per gli elementi 119 e 120, un nuovo blocco-g per i successivi 18 elementi e altri 30 elementi che continuano gli attuali blocchi f, de p. [76] Più recentemente, alcuni fisici (tra cui Pekka Pyykkö ) hanno teorizzato che questi elementi aggiuntivi non seguano la regola di Madelung , che predice come gli stadi sono riempiti e quindi modifica l'aspetto della tavola periodica attuale. [77]

Fine della tavola periodica

Il numero di elementi possibili non è conosciuto. Un'ipotesi avanzata da Elliot Adams nel 1911 , basata sul posizionamento degli elementi in ogni riga orizzontale, era che gli elementi di peso atomico superiore a 256 (in termini moderni numero atomico 99-100) non potessero esistere. [78] Una più precisa e recente stima è che la tavola periodica potrebbe finire poco dopo l' isola di stabilità , [79] che si pensa che abbia come centro l'elemento 126, poiché l'estensione delle tavole periodiche e dei nuclidi è ristretta dalle linee di confine (in inglese " drip lines ") dei protoni e dei neutroni. [80]

Altre ipotesi sulla fine della tavola periodica sono:

Inoltre secondo il modello di Bohr atomi con numero atomico maggiore di 137 non potrebbero esistere, poiché un elemento con numero atomico maggiore di 137 avrebbe bisogno che il primo elettrone, quello sull'orbitale 1s, viaggi più velocemente della velocità della luce , [82] per cui il modello di Bohr, non relativistico, non può essere applicato a un ipotetico elemento come questo.

Anche l'equazione relativistica di Dirac presenta dei problemi con gli elementi con più di 137 protoni. Per tali elementi la funzione d'onda di Dirac per lo stato fondamentale è oscillatoria invece che fissa e non c'è gap energetico fra lo spettro di energia positivo e quello negativo, come nel Paradosso di Klein . [83] Calcoli più accurati che tengono conto degli effetti della grandezza finita dei nuclei indicano che l' energia di legame supera il proprio limite superiore per la prima volta con 173 protoni. Per gli elementi più pesanti, se l'orbitale più interno non è riempito, il campo elettrico del nucleo spingerà un elettrone al di fuori dell'atomo, determinando l'emissione spontanea di un positrone ; [84] tuttavia questo non succede se l'orbitale più interno è riempito. Dunque l'elemento 173 non rappresenta necessariamente la fine della tavola periodica. [85]

Posizionamento di idrogeno ed elio

Idrogeno ed elio sono spesso posizionati in posti differenti da quelli che la loro configurazione elettronica indicherebbe: l'idrogeno è solitamente posizionato sopra il litio , in accordo con la sua configurazione elettronica, ma talvolta è posizionato sopra il fluoro [42] o perfino sopra il carbonio , [42] poiché esso si comporta anche in modo simile a loro. È a volte anche posizionato come un elemento singolo in un gruppo a parte, poiché non si comporta in maniera abbastanza simile a nessun altro elemento per fare parte del suo gruppo. [86] L'elio è quasi sempre posizionato sopra il neon , poiché essi sono molto simili chimicamente, avendo entrambi l' orbitale di valenza completo, come tra l'altro tutti gli altri gas nobili , di cui entrambi fanno parte. Comunque a volte è piazzato sopra il berillio poiché hanno configurazione elettronica simile. [43]

Elementi del 6° e del 7° periodo nel gruppo 3

Nonostante scandio e ittrio siano sempre i primi due elementi del terzo gruppo, sull'identità dei due elementi successivi non c'è ancora accordo; essi sono sia lantanio e attinio , sia lutezio e laurenzio . Nonostante ci siano parecchie giustificazioni chimico-fisiche affinché lutezio e laurenzio siano messi nel terzo gruppo al posto di lantanio e attinio, non tutti gli autori ne sono convinti. [87]

Gruppi inclusi nei metalli di transizione

Secondo la definizione IUPAC , un metallo di transizione è "un elemento il cui atomo presenta un sotto-guscio d incompleto o che può dare origine a cationi con sotto-guscio d incompleto" . [88]

Secondo questa definizione tutti gli elementi appartenenti ai gruppi da 3 a 11 sono metalli di transizione. La definizione IUPAC quindi esclude il gruppo 12 dai metalli di transizione, il quale comprende cadmio , zinco e mercurio . Questa ipotesi spiegherebbe così le caratteristiche di conducibilità elettrica del gruppo 11.

Talvolta i metalli di transizione sono identificati con gli elementi del blocco d, includendo di conseguenza i gruppi dal 3 al 12 nei metalli di transizione. In questo caso gli elementi del gruppo 12 sono trattati come un caso speciale dei metalli di transizione, nel quale gli elettroni dell'orbitale d non sono utilizzati normalmente nel formare legami chimici .

Siccome il mercurio può usare i suoi elettroni d per formare fluoruro di mercurio (HgF 4 ), secondo alcuni anche il mercurio dovrebbe fare parte dei metalli di transizione. [89] Invece secondo Jensen la formazione di un composto come HgF 4 può avvenire solo sotto condizioni estreme, per cui non ci si può riferire al mercurio come a un metallo di transizione tramite nessuna interpretazione ordinaria della definizione di metallo di transizione. [90]

Altri chimici escludono gli elementi del terzo gruppo dalla definizione di metallo di transizione (vengono così inseriti tra i lantanidi e attinidi), sulla base che tali elementi del gruppo 3 non formano nessuno ione con l'orbitale d parzialmente occupato e di conseguenza non esibiscono le caratteristiche dei metalli di transizione. In questi casi ci si riferisce solamente ai gruppi da 4 a 11 come metalli di transizione. [91]

Forma ottimale

Le diverse forme della tavola periodica hanno messo i chimici ei fisici di fronte alla domanda se esista una forma ottimale o definitiva della tavola periodica. Si pensa che la risposta a questa domanda dipenda dalla questione se la periodicità chimica degli elementi sia qualcosa di assoluto e fortemente legata con la struttura stessa dell' universo , oppure se questa periodicità è al contrario un prodotto dell'interpretazione umana soggettiva, influenzata dalle circostanze, dalle credenze e dalle predilezioni degli osservatori umani.

Una base oggettiva per la periodicità chimica dovrebbe dare una risposta alle domande a proposito del posizionamento di idrogeno ed elio e riguardo alla composizione del terzo gruppo. Una tale visione assoluta, se esiste, non è ancora stata scoperta. Quindi ci si può riferire alle varie differenti forme della tavola periodica come a variazioni sul tema della periodicità chimica, ognuna delle quali esplora ed enfatizza differenti aspetti, proprietà, prospettive e relazioni di e fra gli elementi. Si pensa che l'uso attuale della tavola periodica standard o medio-lunga sia un risultato del fatto che questo schema abbia un buon bilanciamento di caratteristiche in termini di semplicità e costruzione e la capacità di descrivere efficientemente l'ordine atomico e gli andamenti periodici. [14] [92]

Note

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