La tabla periódica, en estado no estacionario

A veces los científicos dan la impresión, con sus escritos y conferencias, de que la ciencia ha ido paulatinamente progresando hasta un estado, el actual, que —sin explicitarlo— consideran bastante definitivo. Pero, a veces, este estado no es tan estable como pueda parecer.

Refiriéndonos a la tabla periódica de los elementos químicos la progresión que ha habido desde las primeras versiones de Mendeléyev hasta la forma actual es evidente, y parece que no pueda evolucionar. Con la síntesis de los últimos elementos, hasta el 118, se ha dicho por parte de muchos comentaristas que "la tabla periódica ya se ha completado". Pero ello no es así. Probablemente vengan nuevos elementos, y además puede modificarse la posición de algunos, por variadas razones.

Ha habido dos momentos culminantes en la evolución de la tabla periódica. El primer momento fue el de su nacimiento, a cargo de Dmitri Mendeléyev en 1869; es decir, la constatación de que los elementos ordenados según una propiedad no trivial como es su peso atómico permitía una estructura en la que se veían ciertas regularidades en sus propiedades; y, además, que esta regularidad permitía dejar ciertos vacíos en la ordenación, correspondientes a elementos postulados pero todavía no descubiertos. Hay que destacar que esta ordenación es, en cierto modo, contraintuitiva, porque no tiene absolutamente nada que ver la ordenación por pesos atómicos —determinados experimentalmente a partir de los pesos de combinación— con la ordenación por densidades —también denominadas pesos específicos— , determinadas a partir de manipulaciones relativamente sencillas. Los ejemplos más llamativos son los de gases (el nitrógeno, por ejemplo), de densidad muy baja, pero que tienen un peso atómico superior a algunos sólidos, cuya densidad mucho más alta, como el berilio; por no citar el caso del gas radón, todavía no conocido cuando se hacía la ordenación por pesos atómicos, y que tiene más peso atómico que el 85 % de elementos de la tabla periódica.

El segundo momento culminante en la evolución de la tabla periódica fue el descubrimiento de los espectros de emisión de los elementos por parte de von Broek y Moseley, en 1913, que, junto con los descubrimientos del electrón y del núcleo atómico, y con los primeros modelos atómicos de Bohr, permitieron postular la estructura electrónica de los átomos y la definición de su número atómico Z o número de protones en el núcleo. La ordenación de los elementos siguiendo la orden creciente de números atómicos permitió diseñar la nueva tabla periódica, denominada física por parte de algunos autores. Esta ordenación tiene diferentes ventajas respecto de la anterior ordenación basada en pesos atómicos:

• no tiene ambigüedad, porque los números atómicos siguen la sucesión de números naturales
• no hay valores fraccionarios, a diferencia del que pasaba con los pesos atómicos
• desaparecen algunas irregularidades de la tabla ordenada por pesos atómicos, en que se tenían que ubicar elementos de más peso atómico antes que otros de menor peso atómico, para mantener la regularidad de las propiedades
• quedaban más claras las posiciones de los elementos vacantes aun no descubiertos.

La primera tabla periódica basada en la ordenación por estructuras electrónicas fue presentada por Langmuir (1919). Desde aquel momento, y en pocos años, casi todas las tablas periódicas han seguido esta ordenación, con docenas de modelos diferentes pero todas ellas, sin excepción, con los elementos ordenados según la secuencia creciente de números atómicos.

Entre los modelos más difundidos está la tabla corta, donde los elementos están clasificados en siete filas horizontales o periodos, del 1 al 7, y en dieciocho columnas o grupos, del 1 al 18, con diferentes huecos debidos a las diferentes configuraciones electrónicas de los átomos; además, con los metales lantánidos y actínidos en dos filas normalmente sin numerar, ubicadas bajo la parte principal de la tabla periódica. La periodicidad de propiedades se aprecia especialmente en los grupos.

El motivo principal para este diseño es el de economizar espacio en la representación gráfica, y -sospecho- que así se facilita la reproducción de la tabla periódica a los editores de libros, porque es un formato aproximadamente DIN. Este es un diseño derivado del de von Antropoff (1926) (Mans 2009a), que después usaría Pauling (1947) (figura 1). La tabla periódica de Pauling está copiada con leves modificaciones de la de von Antropoff. En ella destaca la presencia de dos columnas de gases nobles a derecha e izquierda, y la duplicación de los elementos transuránidos. La falta todavía el elemento 61, el prometio (Pauling 1947).

Tabla periódica de Pauling

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1. Tabla periódica de Pauling

Un diseño alternativo fue el de Seaborg (1945) (figura 2), con una tabla periódica de estructura muy similar a la mayoría de las actuales. Destaca el hecho de que el hidrógeno y el aluminio (Z=13) están repetidos. Faltan todavía el tecnecio (43), el astato (85) y el francio (87). (Chemogenesis).

La Wikipedia (2019), en sus artículos sobre elementos, incluye la estructura de tabla corta y también la tabla larga, sugerida también por Seaborg y ampliada hasta el elemento 218 (!), el elemento Buo (biunniocti), mientras que la Encyclopaedia Britannica (2019), en su artículo Periodic table of Elements, escrito en su versión inicial por Linus Pauling, sigue proponiendo la tabla propuesta por este científico, levemente modificada y actualizada.

Tabla periódica de Seaborg

Figura 2. Tabla periódica de Seaborg (modelo corto)

 

Diferencias entre tablas periódicas

Las tablas periódicas de formato corto, que son las más comunes, parecen todas iguales, pero hay notables o sutiles diferencias entre ellas. De entrada, hay que indicar que las tablas periódicas son muy diferentes en cuanto a qué información incluyen en cada casilla de elemento. Las hay que indican simplemente el número atómico y el simbolo o el nombre. Otras dan distintos datos sobre la estructura atómica, la masa atómica, potenciales de ionización, y otras características del átomo del elemento. Muchas tablas ponen también datos de densidad, punto de fusión y de ebullición y otras características de la sustancia elemental más común del elemento en cuestión. La distinción entre ambos grupos de propiedades no se suele explicitar (Mans, 2009b), excepto en la doble tabla que Jordi Cuadros, del IQS-Universitat Ramon Llull publicó hace unos años, y reeditada periódicamente.

Al margen de este importante detalle, hay varios otros aspectos en discusión sobre el formato de la tabla periódica. Analizaremos algunos de ellos.

1. Clasificación de los elementos según su estado físico
Muchas tablas periódicas, como la de la Sociedad Catalana de Química SCQ (2018) o la de la Real Sociedad Española de Química RSEQ (Román 2017), clasifican los elementos en sólidos, líquidos, gases y sintéticos. Esto es una imprecisión. Estas cuatro categorías no son excluyentes entre ellas: hay elementos sintéticos sólidos, como el plutonio Pu o el americio Am.

2. ¿Cuántas sustancias elementales líquidas hay?
Muchas tablas marcan como líquidas las siguientes: mercurio Hg, galio Ga, bromo Br, cesio Cs y francio Fr. Estas sustancias elementales son todas líquidas, pero solo a temperaturas superiores a 30°C. Los datos incluidos en las tablas periódicas -como la densidad- se suelen dar a 20 °C, pero en cambio la consideración de líquido se hace a 30 °C, sin motivo aparente. Sospecho que los diseñadores de estas tablas periódicas lo hacen porque les gusta que en la tabla haya más de dos líquidos, porque a 20°C solo el mercurio y el bromo lo son. No cae en esta arbitrariedad la tabla de la RSEQ citada antes pero sí la de la SCQ.

3. ¿Cuántos semimetales o metaloides hay?
Muchas tablas periódicas indican con una estructura de línea quebrada en escalinata, desde el boro B al polonio Po, la división entre metales y no metales, e indican a veces. en casillas de colores, los elementos considerados semimetales o metaloides, en nomenclatura antigua. La mayor parte de tablas que hacen referencia a ello consideran que los semimetales son B, Si, Ge, As, Sb y Te. Pero hay otras tablas que también incluyen Po y At, Se, e incluso C y Al. La clasificación como metaloide o no depende de la importancia que se dé a las características químicas de cada sustancia elemental; por ejemplo, en el caso del aluminio, con evidentes propiedades de metal, su capacidad de dar sales como los aluminatos hace que se lo pueda clasificar como semimetal, y hay quien lo hace.

4.¿ Dónde se debe situar el hidrógeno en la tabla periódica?
Las especiales características del átomo de hidrógeno y de la sustancia elemental hidrógeno hacen que este haya sido uno de los puntos más discutidos y controvertidos. En varias tablas periódicas de los años 30, por ejemplo las de Estalella, el hidrógeno no aparecía porque no estaba claro donde ponerlo. En otras ocasiones se ponía en dos ubicaciones, como en la tabla de Seaborg (figura 2), en la que el hidrógeno encabeza a la vez el grupo 1, de los metales alcalinos y el grupo 17, de los halógenos. Incluso se ha propuesto que encabece el grupo 14, sobre el carbono. Hay argumentos químicos para las tres ubicaciones: actúa con estado de oxidación +1 y tiene un cierto comportamiento metálico en estado sólido; pero tiene también ciertas similitudes con el flúor como no metal; y algunas propiedades químicas como los potenciales de ionización y la afinidad electrónica se acercan a los elementos del grupo 14. Por cierto, en la misma tabla de Seaborg, el aluminio también tiene dos ubicaciones: en el grupo 5 bajo el boro, donde figura habitualmente, pero también sobre el escandio en el grupo 3. Este grupo 3 es peculiar y objeto del siguiente párrafo.

5. ¿Qué elementos componen el grupo 3?
El hecho que los elementos posteriores al lantano y al actinio, respectivamente, se suelan ubicar en filas inferiores fuera del cuerpo principal de la tabla, hace que haya varias opciones para dibujar el grupo 3, que empieza con Sc e Y, pero más abajo hay varias alternativas (figura 3). La tabla de la SCQ 2018 (indicada con A en la figura 3) opta por poner en las casillas 57 y 89 los símbolos del primero y el último de los lantánidos (La-Lu) y actínidos (Ac-Lr), respectivamente, es decir 15 elementos, detallados en las filas inferiores. Una variante de esta solución era la empleada por von Antropoff en su artículo y en su atlas (G, 1925) y en el cartel editado de su tabla periódica también de 1925 (H). Otras tablas prefieren poner en las citadas casillas solo el primer elemento de cada serie, es decir La y Ac. Otras tablas no ponen ningún símbolo e indican "lantánidos" y "actínidos", respectivamente.(véanse en la figura 3 los fragmentos C, IUPAC 2018, y D, IQS 2019)

Elementos del grupo 3

Figura 3. Distintas versiones para el grupo 3 de elementos

La propuesta más radical es la de Eric Scerri (2006, 2007, 2011). Basándose en el hecho que en algunos modelos de la tabla larga (figura 3 F) bajo el grupo 3 hay Lu y Lr, organiza un grupo 3 con Sc, Y, Lu y Lr, y deja los lantánidos con 14 elementos, de La a Yb, y los actínidos con 14 también, de Ac a No. Esta opción es la empleada también en la tabla de la RSEQ (figura 3 C y E). Es una opción discutible, porque Lu y Lr tienen 14 electrones f, que los haría candidatos a estar en la fila inferior. En cambio, ni La ni Ac tienen electrones f en su estado fundamental. Pero este argumento tiene relativo valor porque las estructuras electrónicas de los átomos, y más los que tienen electrones en subniveles interiores d y f, muestran muchas irregularidades en su configuración electrónica. A su vez la Wikipedia propone su tabla larga, donde ubica el grupo 3 yuxtapuesto a los grupos 1 y 2, y separado de los otros grupos 4 a 18. Así el grupo 3 esta formado entonces por Sc, Y, La y Ac (no representado en la figura).

Scerri propuso un cambio más radical aún, moviendo los actuales grupos 17 y 18 a la izquierda de la tabla. La tabla sería así simétrica en estructura, sin que H y He sobresalgan de la tabla. Su argumento es que así se mantienen un conjunto de tríadas, conjuntos de tres elementos con propiedades similares y que en esta nueva estructura se perciben mejor. Scerri da mucha importancia a las tríadas, concepto de Döbereiner de 1820 y que Scerri ha revitalizado con muchos más ejemplos (figura 4).

Tabla periódica de Scerri

Figura 4. Tabla periódica de Scerri

 

6. ¿Cuántos lantánidos y actínidos hay?
Como consecuencia de las diferentes opiniones sobre la constitución del grupo 3, hay tablas periódicas con 14 o con 15 elementos lantánidos y actínidos, dependiendo de si las casillas 57 y 89 están ocupadas por un elemento, o no.

Las seis controversias o discusiones citadas derivan de la voluntad de mantener el formato corto de la tabla periódica y a la vez, mantener una cierta periodicidad en las propiedades de los elementos, con la ineludible ordenación secuencial de los números atómicos. Ha habido propuestas radicalmente diferentes, de todo tipo, que no mantienen la forma tabular clásica. Muchas de estas propuestas pueden consultarse en la web Chemogenesis de Mark L. Leach, con más de mil modelos de tabla periódica clasificados por orden cronológico.

Lejos de ser un objeto acabado y consolidado, la tabla periódica está en discusión a muchos niveles, y se va modificando no solo por la síntesis de nuevos elementos sino también por nuevos criterios de ordenación. De hecho, la tabla de la RSEQ incluye ya los elementos 119 y 120, aún en gestación.

Bibliografía

Antropoff, Andreas von (1926) "Eine neues Form der periodischen Systems der Elemente" Z. Angew. Chem. (1926) 39, 725-728

Encyclopaedia Britannica "Periodic Table of Elements" [+

Langmuir, I. (1919) "The arrangement of electrons in atoms and molecules" Journal of the American Chemical Society 41, 868-934

Leach, Mark R. (2019) Web Chemogenesis [+] 

Mans, Claudi (2009a) "La taula periòdica històrica de la Universitat de Barcelona". Noticies per a Químics 446 junio-julio p. 5-10. [+] 

Mans, Claudi (2009b) "Element Al" Educació Química 3, 48-52. [+] 

Pauling , Linus (1947) General Chemistry Freeman&Co, y después Dover Books on Chemistry. New York.

Román, Pascual (2017) "Editorial Tébar Flores y la nueva versión de la tabla periódica de los elementos de 2017" An. Quím. 113 (2) 137-138. [+] 

Scerri, Eric (2006) What if the periodic table starts and ends with triads? PhilSci Archive [+] 

Scerri, Eric (2007) The Periodic Table. Its Story and its Signifiance. Oxford University Press

Scerri, Eric (2011) The Periodic Table. A Very Short Introduction. Oxford University Press. Traducido La tabla periódica: Una breve introducción, Alianza Editorial, El Libro de Bolsillo (2013)

Seaborg, Glenn (1945) Modern Alchemy. Selected Papers of Glenn T. Seaborg, World Scientific Publ. [+]

Societat Catalana de Química (2018) "Taula periòdica 2018[+] 

Wikipedia (2019) "Tabla Periódica de los Elementos ampliada" [+] 

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Claudi Mans Teixidó
Claudi Mans Teixidó

Catedrático emérito de Ingeniería Química por la Universidad de Barcelona. Autor de los libros de divulgación científica: La truita cremada (2005, Ed. Col·legi de Químics de Catalunya, catalán) y Tortilla quemada (2005, Ed. Col·legi de Químics de Catalunya). Els secrets de les etiquetes (2007, Ed. Mina, catalán) y Los secretos de las etiquetas (2007, Ed. Ariel). La vaca esfèrica (2008, Rubes editorial, catalán). Sferificaciones y macarrones (2010, Ed. Ariel), La química de cada dia (2016, Publicacions de la Universitat de Barcelona, catalán) y La Química en la cocina: una inmersión rápida (2018, Tibidabo Ediciones).

Director científico del Comité Español de la Detergencia, Tensioactivos y Afines (CED). Vocal de la junta de la Associació Catalana de Ciències de l'Alimentació (ACCA) y del Colegio-Agrupación de Químicos de Catalunya.

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