La S es la letra ese mayúscula del alfabeto latino. Pero significa muchas más cosas. Refiriéndonos solo a la s mayúscula, es la abreviatura del sur geográfico, del siglo, de las antiguas matrículas de Santander, de las matrículas de Suecia... En ciencia tiene también otros significados. Es la magnitud entropía, la representación de la superficie, la representación del aminoácido serina, el símbolo del siemens (unidad de conductancia eléctrica)... Y el símbolo del azufre. Naturalmente, la letra aislada no permite saber a qué se refiere, pero el contexto permite deducir fácilmente el significado.

Para el caso de la química, esta variedad de significados para un solo símbolo es aún mayor de lo que se ha mostrado.

La definición de elemento (elemento químico) de la IUPAC reza, una vez traducida:

1. Un tipo de átomos; todos los átomos con el mismo número de protones en su núcleo atómico.

2. Una sustancia química pura compuesta por átomos con el mismo número de protones en su nucleo atómico. En ocasiones este concepto se denomina sustancia elemental, entendida como distinta del elemento químico definido en 1, pero en la mayoría de ocasiones se usa el término elemento químico para ambos conceptos.

Hay, pues, un solapamiento en la definición entre los átomos como tales y la sustancia que dichos átomos forman, la sustancia elemental. Pero ciertamente la distinción entre elemento-átomo y elemento-sustancia elemental, que es implícita para todo químico, no suele ser tan clara en los libros de texto ni en las divulgaciones. Para complicarlo todo, hay dos conceptos que hacen que exista una pluralidad de formas en las que se presenta un elemeto químico: la isotopía y la alotropía.

Una tabla periódica típica

Veamos una tabla periódica cualquiera, de aquellas cuyo diseñador ha optado por colocar bastante información en cada elemento. En la figura 1 se muestran nueve casillas centradas en el azufre, de una tabla periódica muy difundida, la de Editorial Tébar Flores, que tiene el asesoramiento de la Real Sociedad Española de Química. A su lado, la leyenda para descifrar cada uno de los números y letras de cada casilla. La figura 2 muestra un fragmento de la página de Wikipedia en español correspondiente a las propiedades del azufre. En ambos casos, algunas de las propiedades que se muestran corresponden a los átomos de azufre como tales: su número atómico, sus radios atómicos, su configuración electrónica (para el azufre, [Ne]3s23p4). Pero, al lado y sin distinción, aparecen un conjunto de propiedades que solo se pueden atribuir a la sustancia elemental azufre: su punto de fusión, su punto de ebullición, su calor específico, sus conductividades eléctrica y térmica, su densidad, su presión de vapor. Un solo átomo de azufre no tiene ninguna de estas propiedades, que son macroscópicas y atribuíbles solo a una cantidad apreciable de la sustancia elemental azufre.

Variadas propiedades de un elemento

Lo mismo puede decirse de su color, ilustrado en la figura 3: se muestra un fragmento de la portada del libro de Theodore Gray The Elements (traducción al catalán) con fotografías de Nick Mann. Ahí no hay datos, solo fotos de elementos. El amarillo del azufre es de la sustancia elemental, pues un solo átomo no tiene color.

Compliquémoslo con la isotopía. Todos los átomos de azufre son representados por S, y todos tienen 16 protones en su núcleo. Pero su núcleo puede tener un número distinto de neutrones, ¡hasta veinticinco valores! Hay, pues, veinticinco tipos distintos de átomos de azufre, denominados isótopos porque ocupan el mismo (iso) lugar (topos) de la tabla periódica. Se distinguen por un superíndice que indica su masa atómica. Así, todos los isótopos del azufre están entre el 29S y el 49S, que tienen respectivamente 13 y 33 neutrones. Son los isótopos. Hay solo cuatro isótopos estables, 32S, 33S, 34S y 36S, con unas abundancias de 95,02 %, 0,75 %, 4,24 % y 0,02 %. El resto son isótopos radiactivos, con períodos de desintegración de pocos milisegundos o nanosegundos. Todos ellos son "el átomo de azufre". La existencia de isótopos y su distinta abundancia es lo que determina los pesos atómicos fraccionarios de la mayoría de elementos.

Sustancias elementales

La mayor parte de elementos tienen isótopos, empezando por el hidrógeno que tiene tres: el hidrógeno ordinario 1H, el deuterio 2H (a veces representado por D) y el tritio 3H (a veces representado por T). Entre todos los elementos hay 256 isótopos estables, y muchísimos más inestables. [+]

¿Y si pasamos a la sustancia elemental azufre? Como otros elementos, presenta el fenómeno de la alotropía. Los alótropos son "las diferentes modificaciones estructurales de un elemento", según la IUPAC. Del griego alos (distinta) y tropos (forma). Traducido, ello significa que el elemento puede encontrarse en distintas agrupaciones moleculares de átomos unidos de distintas formas, en número y en estructura. Por ejemplo, son bien conocidas las formas alotrópicas del carbono: el diamante, estructura cristalina en forma de red tetraédrica, el grafito, en forma de láminas con redes bidimensionales hexagonales; el grafeno, que son láminas individualizadas de grafito; y los fullerenos o estructuras esféricas de composición C60 o similares. Un concepto más general , que se aplica no solo a elementos sino a compuestos, es el de polimorfismo, que es la posibilidad de que una misma sustancia se presente en distintas estructuras cristalinas.

Pues bien, el azufre, la sustancia elemental azufre, es la que más alótropos muestra de todos los elementos de la tabla periódica. Puede presentarse en no menos de veinte formas. Las más simples son moléculas diatómicas S2, triatómicas S3 o tetraatómicas S4 , presentes en el azufre vapor. Se han identificado diversas moléculas en forma de anillo de cinco, seis u ocho átomos de azufre unidos (S5, S6 y S8) y aún otros ciclos de hasta 20 nucleos de azufre. Existen también cadenas, no cerradas, y mezclas de varios alótropos. Y aún se pueden considerar muchas formas cristalinas de cada una de estas formas alotrópicas. Existen también formas de azufre amorfo.

El azufre, el sólido amarillo que todos conocemos, está formado muy mayoritariamente por anillos de ocho átomos en forma de corona, el S8 o ciclo-octoazufre, con pequeñas proporciones del ciclo S7. Es la forma más estable a temperatura ordinaria, y recibe distintos nombres comunes: azufre ortorómbico, flor de azufre, azufre rómbico y otros. Es la típica sustancia amarilla que aparece en la figura 3. Esta sustancia elemental, la más estable en condiciones normales, es la que tiene las propiedades físicas y químicas que aparecen en las casillas de las tablas periódicas: tiene densidad, punto de fusión, conductividad térmica y eléctrica, presión de vapor, dureza, color... Cada uno de los ocho átomos de azufre que forman el ciclo comparten un electrón con sus dos átomos vecinos, dando enlaces covalentes bastante fuertes. Estos anillos se unen después con otros mediante enlaces débiles, formando estructuras denominadas sólidos moleculares.

En resumen, tenemos docenas de átomos y sustancias, todas ellas escondidas en una simple S.

La distinción entre los dos conceptos de átomo y de sustancia elemental hace que algunas pocas tablas periódicas los distingan. Así, en una cara de la tabla describen las propiedades de los átomos, y el la otra cara indican las propiedades de la sustancia elemental y, en particular, su fórmula. En las casillas de los gases nobles, sustancias monoatómicas, aparecen los símbolos clàsicos: He, Ne, Ar. Los gases no nobles suelen ser diatómicos: F2, Cl2, N2, O2. El azufre aparece con su S8 ya visto y el fósforo con P4. Y todos los metales tienen fórmulas tipo Nan, Fen, Pbn, indicando con n el estado metálico formado por infinidad de nucleos del elemento unidos por la nube electrónica común.

Y hay aun un tercer concepto adicional relacionado con los elementos: el del azufre combinado, esto es, el átomo de azufre que podemos imaginar que comparte sus electrones con otros elementos, en formas variadas. Así, el sulfuro de hierro (FeS) que se forma entre la clara y la yema de un huevo duro y que le da una tonalidad verdosa, Aquí el átomo de azufre ha ganado dos electrones del hierro y se ha convertido en el ion sulfuro, S2- que se une mediante atracción electrostática —un enlace iónico— al ión hierro Fe2+. O, en el caso del ácido sulfúrico y los sulfatos (H2SO4 y SO42-, respectivamente, el S central comparte seis electrones con 4 oxígenos de su alrededor mediante enlaces covalentes. de varias clases ¿Podemos seguir denominando "átomos de azufre" a esos núcleos de azufre que han cedido dos electrones, o que han compartido todos sus electrones de su nivel exterior? Desde luego que no. El primero es una entidad química distinta denominada ion sulfuro, y el segundo forma parte de una entidad química denominada ion sulfato. El azufre puede formar miles de combinaciones distintas, y en ninguna encontramos el elemento azufre como tal.

En resumen, es correcto hablar de los átomos del elemento azufre cuando están aislados, y cuando nos referimos a la idealización del átomo, a la estructura electrónica formada por un núcleo de 16 protones y un número de neutrones entre 13 y 33 (el conjunto de isótopos), con 16 electrones en su entorno. También es correcto hablar de la sustancia elemental azufre, que puede existir en forma de más de veinte alótropos, de los cuales el más común es el S8. Y es también correcto hablar de los compuestos con azufre, en que la preposición "con" indica que ahí el azufre ha sufrido cambios en su estructura electrónica y ya no tiene ni la estructura electrónica del átomo de azufre ni las propiedades físicas y químicas de la sustancia elemental azufre, sino que estamos en presencia de otras sustancias químicas distintas, cuyas propiedades no tienen por qué tener nada que ver con las propiedades de los elementos que constituyen sus moléculas.

Tales distinciones no son divertimentos de químicos, sino distinciones pertinentes para una comunicación veraz. Alguna vez he visto describir el cloruro de sodio, nuestra sal de mesa, como compuesto que contiene dos elementos muy peligrosos: el cloro, gas tóxico, y el sodio, que arde en contacto con el agua. Cuidado con la sal...

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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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