Descubrimiento
de los elementos:
Aunque
algunos elementos como el oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu), plomo (Pb) y mercurio (Hg) ya eran conocidos desde la antigüedad, el primer
descubrimiento científico de un elemento ocurrió en el siglo xvii d. C., cuando el
alquimista Hennig Brand descubrió el fósforo
(P). En el siglo xviii d. C. se conocieron
numerosos nuevos elementos, los más importantes de los cuales fueron los gases,
con el desarrollo de la química
neumática: oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). También se consolidó en esos años la nueva concepción de
elemento, que condujo a Antoine
Lavoisier a escribir su famosa lista de
sustancias simples, donde aparecían 33 elementos. A principios del siglo xix d. C., la aplicación de la
pila eléctrica al estudio de fenómenos químicos condujo al descubrimiento de
nuevos elementos, como los metales alcalinos y alcalino-térreos, sobre todo
gracias a los trabajos de Humphry
Davy. En 1830 ya se conocían 55 elementos. Posteriormente, a mediados del
siglo xix d. C.,
con la invención del espectroscopio, se descubrieron nuevos elementos, muchos de ellos nombrados por
el color de sus líneas espectrales características: cesio (Cs, azul), talio (Tl, de tallo, por su color verde), rubidio (Rb, rojo), etc. Durante el siglo xx d. C., la investigación en
los procesos radioactivos llevó al descubrimiento en cascada de una serie de
elementos pesados (casi siempre sustancias artificiales sintetizadas en
laboratorio, con vida estable y corta), hasta alcanzar la cifra de 118
elementos con denominación oficialmente aceptados por la IUPAC en noviembre de 2016.
Noción de elemento y propiedades periódicas
Lógicamente,
un requisito previo necesario a la construcción de la tabla periódica era el
descubrimiento de un número suficiente de elementos individuales, que hiciera
posible encontrar alguna pauta en comportamiento químico y sus propiedades.
Dando así suficientes elementos como para poder dar un orden en dichos
elementos. Durante los siguientes dos siglos desde el XVII que se comenzó, se
fue adquiriendo un mayor conocimiento sobre estas propiedades, así como
descubriendo muchos elementos nuevos.
La palabra
«elemento» procede de la ciencia griega, pero su noción moderna apareció a lo
largo del siglo xvii d. C.,
aunque no existe un consenso claro respecto al proceso que condujo a su
consolidación y uso generalizado, como término. Algunos autores citan como
precedente la frase de Robert Boyle en su famosa obra El
químico escéptico, donde
denomina elementos «ciertos cuerpos primitivos y simples que no están formados
por otros cuerpos, ni unos de otros, y que son los ingredientes de que se
componen inmediatamente y en que se resuelven en último término todos los
cuerpos perfectamente mixtos». En realidad, esa frase aparece en el contexto de
la crítica de Robert Boyle a los cuatro elementos aristotélicos.
A lo largo
del siglo xviii d. C.,
las tablas de afinidad recogieron un nuevo modo de entender la composición química,
que aparece claramente expuesto por Lavoisier en su obra Tratado elemental de química. Todo ello condujo a diferenciar en primer lugar qué sustancias de las conocidas hasta ese momento eran elementos químicos,
cuáles eran sus propiedades y cómo aislarlas.
El
descubrimiento de gran cantidad de elementos nuevos, así como el estudio de sus
propiedades, pusieron de manifiesto algunas semejanzas entre ellos, lo que
aumentó el interés de los químicos por buscar algún tipo de clasificación.
Los pesos atómicos
Para
terminar de concebir nuestra actual tabla periódica, se dio a principios del
siglo xix d. C., John Dalton (1766-1844) desarrolló una concepción nueva del atomismo, a
la que llegó gracias a sus estudios meteorológicos y de los gases de la
atmósfera. Su principal aportación consistió en la formulación de un «atomismo
químico» que permitía integrar la nueva definición de elemento realizada
por Antoine Lavoisier (1743-1794) y las leyes ponderales de la química
(proporciones definidas, proporciones múltiples, proporciones recíprocas).
Dalton
empleó los conocimientos sobre proporciones en las que reaccionaban las
sustancias de su época y realizó algunas suposiciones sobre el modo como se
combinaban los átomos de las mismas. Estableció como unidad de referencia la masa de un átomo de hidrógeno (aunque se sugirieron otros en esos
años) y refirió el resto de los valores a esta unidad, por lo que pudo
construir un sistema de masas atómicas relativas. Por ejemplo, en el caso del
oxígeno, Dalton partió de la suposición de que el agua era un compuesto binario, formado por un átomo de hidrógeno y otro de oxígeno.
No tenía ningún modo de comprobar este punto, por lo que tuvo que aceptar esta
posibilidad como una hipótesis a priori.
Dalton
sabía que una parte de hidrógeno se combinaba con siete partes (ocho,
afirmaríamos en la actualidad) de oxígeno para producir agua. Por lo tanto, si
la combinación se producía átomo a átomo, es decir, un átomo de hidrógeno se
combinaba con un átomo de oxígeno, la relación entre las masas de estos átomos
debía ser 1:7 (o 1:8 se calcularía en la actualidad). El resultado fue la
primera tabla de masas atómicas relativas (o pesos atómicos, como los llamaba
Dalton), que fue modificada y desarrollada en años posteriores, y que
seguramente reconozcáis más. Las inexactitudes antes mencionadas dieron lugar a
toda una serie de polémicas y disparidades respecto a las fórmulas y los pesos
atómicos, que solo comenzarían a superarse,
aunque no totalmente, en el congreso
de Karlsruhe en 1860.
Primeros intentos de sistematización:
En
1789 Antoine Lavoisier publicó una lista de 33 elementos químicos, agrupándolos
en distintos grupos llamados gases, metales, no metales y tierras. Aunque muy
práctica y todavía funcional en la tabla periódica moderna, fue rechazada
debido a que había muchas diferencias tanto en las propiedades
físicas como
en las químicas.
Fue una previa de la tabla periódica.
Los
químicos pasaron el siglo siguiente buscando un esquema de clasificación más
preciso, para dichos elementos. Uno de los primeros intentos para agrupar los
elementos de propiedades análogas y relacionarlos con los pesos atómicos se debe al químico
alemán Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849) quien en 1817 puso de manifiesto el notable
parecido que existía entre las propiedades de ciertos grupos de tres elementos,
con una variación gradual del primero al último. Posteriormente (1827) señaló
la existencia de otros grupos en los que se daba la misma relación como eran el
cloro, bromo y yodo; azufre, selenio y telurio; litio, sodio y potasio;
conocidas estás como las tríadas de Döbereiner. Al clasificarlas, Döbereiner explicaba que el peso atómico
promedio de los pesos de los elementos extremos, es parecido al del elemento en
medio.16Esto se conoció como la ley de Tríadas. Por ejemplo, para la
tríada cloro-bromo-yodo, los pesos atómicos son respectivamente 36, 80 y 127;
el promedio es 81, que es aproximadamente 80; el elemento con el peso atómico
aproximado a 80 es el bromo, lo cual hace que concuerde con el aparente
ordenamiento de tríadas.
El químico
alemán Leopold Gmelin trabajó con este sistema, un tiempo después y en 1843
había identificado diez tríadas, tres grupos de cuatro, y un grupo de
cinco. Jean-Baptiste
Dumas publicó el trabajo en 1857 que
describe las relaciones entre los diversos grupos de metales. Aunque los
diversos químicos fueron capaces de identificar las relaciones entre pequeños
grupos de elementos, aún tenían que construir un esquema que los abarcara a
todos, lo cual era mucho más complicado.
En 1857 el
químico alemán August Kekulé observó que el carbono está a menudo unido a otros cuatro átomos. El metano, por ejemplo, tiene un átomo de carbono y cuatro átomos de
hidrógeno. Este concepto eventualmente se conocería como «valencia» de un
elemento.
En
1862 de Chancourtois, geólogo francés, publicó una primera forma de tabla periódica que
llamó la «hélice telúrica» o «tornillo». Fue la primera persona en notar la
periodicidad de los elementos, y en darnos la primera versión en formato tabla,
y no lista. Al disponerlos en espiral sobre un cilindro por orden creciente de
peso atómico, de Chancourtois mostró que los elementos con propiedades
similares parecían ocurrir a intervalos regulares. Su tabla incluye además
algunos iones y compuestos. También utiliza términos geológicos en lugar de
químicos y no incluye un diagrama; como resultado, recibió poca atención hasta
el trabajo de Dmitri Mendeléyev.
En
1864 Julius
Lothar Meyer, un químico alemán, publicó una tabla
con 44 elementos dispuestos por valencia. La misma mostró que los elementos con
propiedades similares a menudo compartían la misma valencia. Al mismo
tiempo, William Odling —un químico inglés— publicó un arreglo de 57 elementos
ordenados en función de sus pesos atómicos. Con algunas irregularidades y
vacíos, se dio cuenta de lo que parecía ser una periodicidad de pesos atómicos
entre los elementos y que esto estaba de acuerdo con «las agrupaciones que
generalmente recibían». Odling alude a la idea de una ley periódica, pero no
siguió la misma.23 En 1870 propuso una clasificación basada en la valencia de los
elementos. Pareciendo este el mejor sistema posible de organización.
Ley de las octavas de Newlands:
El químico
inglés John Newlands produjo
una serie de documentos de 1863 a 1866 y señaló que cuando los elementos se
enumeran en orden de aumentar el peso atómico, las propiedades físicas y
químicas similares se repiten a intervalos de ocho.
Comparó
esta periodicidad con las octavas de la música, siendo este un gran hobby
suyo. Esta llamada «ley de las octavas» fue ridiculizada por los
contemporáneos de Newlands y la Chemical Society se negó a publicar su obra,
porque dejaba de cumplirse a partir del calcio. Newlands fue, sin embargo,
capaz de elaborar una tabla de los elementos y la utilizó para predecir la
existencia de elementos faltantes, como el germanio. La Chemical Society solamente reconoció la importancia de sus
descubrimientos cinco años después de que se le acreditaran a Mendeléyev, y
posteriormente fue reconocido por la Royal
Society, que le concedió a Newlands su más alta
condecoración, la medalla Davy.
En
1867 Gustavus Hinrichs, un químico danés, publicó un sistema periódico en espiral sobre
la base de los espectros, los pesos atómicos y otras similitudes químicas. Su
trabajo fue considerado como demasiado complicado y por eso no fue aceptado, ni
se conoce mucho sobre el mismo.
Tabla periódica de Mendeléyev:
Llegamos
históricamente, al momento culminen de la creación de la tabla periódica lo
anterior, solo era una precuela. En 1869, el profesor de química ruso Dmitri Ivánovich
Mendeléyev publicó su primera Tabla Periódica
en Alemania,
tengamos en cuenta que el alemán era entonces el idioma de la ciencia. Un año después Julius
Lothar Meyer publicó una versión ampliada de la
tabla que había creado en 1864, basadas en la periodicidad de los volúmenes
atómicos en función de la masa
atómica de los elementos.
Por esta
fecha ya eran conocidos 63 elementos de los 92 que existen de forma natural entre el Hidrógeno y
el Uranio. Por ello, ambos químicos colocaron los elementos por orden creciente
de sus masas atómicas, los agruparon en filas o periodos de distinta longitud y
situaron en el mismo grupo elementos que tenían propiedades químicas similares,
como la valencia. Construyeron sus tablas haciendo una lista de los elementos en
filas o columnas en función de su peso atómico y comenzando una nueva fila o
columna cuando las características de los elementos comenzaron a repetirse.
El
reconocimiento y la aceptación otorgada a la tabla de Mendeléyev vino a partir
de dos decisiones que tomó. La primera fue dejar huecos cuando parecía que el
elemento correspondiente todavía no había sido descubierto. No fue el primero
en hacerlo, pero sí en ser reconocido en el uso de las tendencias en su tabla
periódica para predecir las propiedades de esos elementos faltantes, como ya
comentamos unas líneas antes, Incluso pronosticó las propiedades de algunos de
ellos: el galio (Ga), al que llamó eka-aluminio por estar situado debajo
del aluminio; el germanio (Ge), al que llamó eka-silicio, por lo mismo que el anterior;
el escandio (Sc); y el tecnecio (Tc), que, aislado químicamente a partir de restos de
un sincrotrón en 1937, se convirtió en el primer elemento producido de
forma predominantemente artificial.
La segunda
decisión fue ignorar el orden sugerido por los pesos atómicos y cambiar los
elementos adyacentes, tales como telurio y yodo, para clasificarlos mejor en familias químicas. En
1913, Henry Moseley determinó los valores experimentales de la carga nuclear o
número atómico de cada elemento, y demostró que el orden de Mendeléyev
corresponde efectivamente al que se obtiene de aumentar el número atómico,
permitiendo que su tabla periódica fuese más aceptada todavía.
El
significado de estos números en la organización de la tabla periódica no fue
apreciado hasta que se entendió la existencia y las propiedades de los protones y los neutrones,
no obstante, pues sin estos elementos de los átomos no podríamos entender a día
de hoy la tabla periódica. Las
tablas periódicas de Mendeléyev utilizan el peso atómico en lugar del número
atómico para organizar los elementos, información determinable con precisión en
ese tiempo. El peso atómico funcionó bastante bien para la mayoría de los casos
permitiendo predecir las propiedades de los elementos que faltan con mayor
precisión que cualquier otro método conocido entonces. Es más, Moseley predijo
que los únicos elementos que faltaban entre aluminio (Z = 13) y oro (Z = 79) eran Z = 43, 61, 72 y 75, que fueron descubiertos
más tarde. La secuencia de números atómicos todavía se utiliza hoy en día
incluso, aunque se han descubierto y sintetizado nuevos elementos.
Segunda tabla periódica de Mendeléyev y desarrollos posteriores
Por
supuesto, la actualización es constante, pero con todo lo comentado
anteriormente, de la primera versión de la tabla periódica de Mendeléyev,
surgió, su segunda tabla o la versión 2.0. En 1871, Mendeléyev publicó su tabla
periódica en una nueva forma, con grupos de elementos similares dispuestos en
columnas en lugar de filas, numeradas I a VIII en correlación con el estado de
oxidación del elemento. También hizo predicciones detalladas de las propiedades
de los elementos que ya había señalado que faltaban, pero deberían existir.
Estas lagunas se llenaron posteriormente cuando los químicos descubrieron
elementos naturales adicionales, como ya comentamos, era idónea porque predecía
lo que aún faltaba, dejaba esos huecos pudiéndose adaptar al futuro, y era
perfectamente práctica en el presente.
En su
nueva tabla consigna el criterio de ordenación de las columnas que se basa en
los hidruros y óxidos que puede formar esos elementos y por tanto, implícitamente,
las valencias de esos elementos. Aún seguía dando resultados
contradictorios (Plata y Oro aparecen duplicados, y no hay separación entre
Berilio y Magnesio con Boro y Aluminio), pero significó un gran avance, con
respecto de su primera versión. Esta tabla fue completada con un grupo más,
constituido por los gases nobles descubiertos cuando aún Mendeléyev vivía, pero que, por sus
características, no tenían cabida en la tabla, por lo que hubo de esperar casi
treinta años, hasta 1904, con el grupo o valencia cero, quedando la tabla más
completa, y similar a la que conocemos en el siglo XXI.
A menudo
se afirma que el último elemento natural en ser descubierto fue el francio —designado por Mendeléyev como eka-cesio— en 1939. Sin
embargo, el plutonio, producido sintéticamente en 1940, fue identificado en
cantidades ínfimas como un elemento primordial de origen natural en 1971,
quitándole dicho título.
La
disposición de la tabla periódica estándar es atribuible a Horace Groves Deming, un químico americano que en 1923 publicó una tabla periódica de
18 columnas. En 1928 Merck and Company preparó un folleto con esta tabla, que
fue ampliamente difundida en las escuelas estadounidenses. Por la década de
1930 estaba apareciendo en manuales y enciclopedias de química. También se
distribuyó durante muchos años por la empresa Sargent-Welch Scientific Company.
Dicho de otra forma fue debidamente publicitada y vendida.
Mecánica cuántica y expansión progresiva de la tabla:
La tabla
periódica de Mendeléyev era sin duda maravillosa, aunaba todo lo conocido, etc;
pero presentaba ciertas irregularidades y problemas. En las décadas posteriores
tuvo que integrar los descubrimientos de los gases nobles, las «tierras raras»
y los elementos radioactivos. Otro problema adicional eran las irregularidades que existían
para compaginar el criterio de ordenación por peso atómico creciente y la
agrupación por familias con propiedades químicas comunes. Algunos ejemplos de
esta dificultad se encuentran en las parejas telurio-yodo, argón-potasio y cobalto-níquel, en las que se hace necesario alterar el criterio de pesos
atómicos crecientes en favor de la agrupación en familias con propiedades
químicas semejantes.
Durante
algún tiempo, esta cuestión no pudo resolverse satisfactoriamente hasta
que Henry Moseley (1867-1919) realizó un estudio sobre los espectros de rayos X en 1913. Moseley comprobó que al representar la raíz cuadrada de la frecuencia de la radiación en función del número de orden en el sistema periódico se
obtenía una recta, lo cual permitía pensar que este orden no era casual, sino
reflejo de alguna propiedad de la estructura
atómica. Hoy sabemos que esa propiedad es
el número atómico (Z) o número de cargas positivas del núcleo.
La
explicación que se acepta actualmente de la ley periódica surgió tras los
desarrollos teóricos producidos en el primer tercio del siglo XX, cuando
se construyó la teoría de la mecánica
cuántica. Gracias a estas investigaciones y a
desarrollos posteriores, se acepta que la ordenación de los elementos en el sistema periódico está relacionada con la estructura
electrónica de los átomos de los diversos elementos, a partir de la cual se
pueden predecir sus diferentes propiedades químicas.
En
1945 Glenn Seaborg, un científico estadounidense, sugirió que los actínidos, como los lantánidos, estaban llenando un subnivel f en vez de una cuarta fila en el
bloque d, como se pensaba hasta el momento. Los colegas de Seaborg le
aconsejaron no publicar una teoría tan radical, ya que lo más probable era
arruinar su carrera. Como consideraba que entonces no tenía una carrera que
pudiera caer en descrédito, la publicó de todos modos. Posteriormente se
encontró que estaba en lo cierto y en 1951 ganó el Premio
Nobel de Química por su trabajo
en la síntesis de los actínidos.
En 1952,
el científico costarricense Gil
Chaverri presentó una nueva versión basada
en la estructura electrónica de los elementos, la cual permite ubicar las
series de lantánidos y actínidos en una secuencia lógica de acuerdo con su número atómico, solucionando este problema.
Aunque se
producen de forma natural pequeñas cantidades de algunos elementos
transuránicos, todos ellos fueron descubiertos por primera vez en laboratorios,
el primero de los cuales fue el neptunio, sintetizado en 1939. La producción de estos elementos ha
expandido significativamente la tabla periódica, para la que conocemos hoy, ya
que como veis históricamente ha pasado por mucho. Debido a que muchos son
altamente inestables y decaen rápidamente, son difíciles de detectar y
caracterizar cuando se producen. Han existido controversias relativas a la
aceptación de las pretensiones y derechos de descubrimiento de algunos elementos,
lo que requiere una revisión independiente para determinar cuál de las partes
tiene prioridad, y por lo tanto los derechos del nombre. Flerovio (elemento 114) y livermorio (elemento 116) fueron nombrados el 31 de mayo de 2012. En
2010, una colaboración conjunta entre Rusia y Estados Unidos en Dubná, región de Moscú, Rusia, afirmó haber sintetizado seis átomos de teneso (elemento 117).
El 30 de
diciembre de 2015 la IUPAC reconoció oficialmente los elementos 113, 115, 117,
y 118, completando la séptima fila de la tabla periódica. El 28 de noviembre de
2016 se anunciaron los nombres oficiales y los símbolos de los últimos cuatro
nuevos elementos aprobados hasta la fecha por la IUPAC (Nh, nihonio; Mc, moscovio; Ts, teneso; y Og, oganesón), que sustituyen a las designaciones temporales.
Es decir,
que la tabla periódica finalmente, la encontramos, con esta última
modificación, pero esto paso en 2016, por lo que seguramente, no sea el último
capítulo en su historia.
Última tabla periódica:
https://artsexperiments.withgoogle.com/periodic-table/
Artículo escrito por Ana María Morón Usero o Ammu.
Gracias por leer, que la ciencia y la fuerza os acompañe
Podéis encontrar mucho más sobre esta ciencia en el Glosario de la Química y muchos científicos destacados de la misma y de otras ramas.Ammu
