Estructura de la tabla periódica
El número atómico y la ley periódica
La tabla periódica ordena los elementos químicos por su número atómico \(Z \) creciente, es decir, por el número de protones de su núcleo.
La ley periódica moderna establece que las propiedades químicas y físicas de los elementos son funciones periódicas de su número atómico: al avanzar en \(Z \), las propiedades se repiten a intervalos regulares porque se repite la estructura electrónica externa.
Esta ordenación por \(Z \) resolvió las anomalías de la tabla original de Mendeléiev, que estaba ordenada por masa atómica creciente.
El caso más famoso es el del telurio y el yodo: el telurio, con mayor masa atómica, precede al yodo en la tabla porque su número atómico, \(52 \), es menor que el del yodo, \(53 \), y así cada uno queda en el grupo que le corresponde por sus propiedades químicas.
Periodos y grupos
Las filas horizontales de la tabla se llaman periodos y las columnas verticales se llaman grupos.
Existen \(7 \) periodos, numerados del \(1 \) al \(7 \), y \(18 \) grupos en la numeración recomendada por la IUPAC, numerados del \(1 \) al \(18 \)
El número del periodo coincide con el número cuántico principal \(n \) de la capa electrónica más externa que se está llenando.
Así, el sodio, con su electrón más externo en la capa \(n = 3 \), pertenece al tercer periodo.
El primer periodo contiene sólo \(2 \) elementos, el segundo y el tercero contienen \(8 \) cada uno, el cuarto y el quinto contienen \(18 \), el sexto contiene \(32 \) y el séptimo está incompleto.
Los elementos de un mismo grupo presentan configuraciones electrónicas externas análogas y, por tanto, propiedades químicas semejantes.
Los grupos con nombre tradicional más importante son: grupo \(1 \), metales alcalinos, con configuración externa \(ns^1 \); grupo \(2 \), metales alcalinotérreos, con \(ns^2 \); grupos \(3 \) a \(12 \), metales de transición; grupo \(13 \), térreos; grupo \(14 \), carbonoideos; grupo \(15 \), nitrogenoideos; grupo \(16 \), calcógenos; grupo \(17 \), halógenos, con \(ns^2np^5 \); y grupo \(18 \), gases nobles, con la capa externa completa \(ns^2np^6 \), salvo el helio.
Los bloques s, p, d y f: el electrón diferenciador
La tabla se divide en cuatro bloques según el tipo de orbital que recibe el último electrón al construir la configuración electrónica, el llamado electrón diferenciador.
El bloque \(s \) comprende los grupos \(1 \) y \(2 \), donde se llena el orbital \(ns \)
El bloque \(p \) comprende los grupos \(13 \) a \(18 \), donde se llenan los orbitales \(np \)
El bloque \(d \) abarca los grupos \(3 \) a \(12 \), los metales de transición, donde se llenan los orbitales \((n-1)d \)
El bloque \(f \), situado separadamente en la parte inferior, contiene los lantánidos y actínidos, donde se llenan los orbitales \((n-2)f \)
El orden de llenado de los orbitales sigue la regla de Madelung o regla \(n + l \): los orbitales se ocupan por energía creciente según la suma del número cuántico principal \(n \) y el azimutal \(l \), y a igualdad de suma se ocupa antes el de menor \(n \)
De ahí la secuencia $$1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p $$, que explica por qué el periodo cuarto comienza llenando el orbital \(4s \) antes que el \(3d \)
Configuración electrónica y posición en la tabla
La posición de un elemento queda determinada por su configuración electrónica: el periodo viene dado por el mayor valor de \(n \) con electrones, el bloque por el tipo de orbital del electrón diferenciador, y el grupo por el número de electrones de valencia con reglas específicas para cada bloque.
En el bloque ese, el número del grupo coincide con los electrones \(ns \); en el bloque pe, el grupo es \(10 \) más el número de electrones \(ns + np \); en el bloque de, el grupo se obtiene sumando los electrones \((n-1)d + ns \)
Existen algunas anomalías famosas en el llenado, como el cromo \([\text{Ar}]\,3d^54s^1 \) y el cobre \([\text{Ar}]\,3d^{10}4s^1 \), que adoptan configuraciones con semillenos o llenos del subnivel de porque estas disposiciones son especialmente estables.
Metales, no metales y metaloides
Una diagonal aproximada desde el boro hasta el astato separa los metales, situados a la izquierda y en el centro de la tabla, de los no metales, situados a la derecha.
Los metales son sólidos brillantes, dúctiles, maleables y buenos conductores del calor y la electricidad; los no metales presentan propiedades opuestas y suelen ser malos conductores.
Junto a la línea de separación se encuentran los metaloides, como el silicio y el germanio, con propiedades intermedias y de gran importancia como semiconductores.
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3.
Explicación: Vamos a construir la configuración electrónica del elemento siguiendo la regla de Madelung, identificar el periodo por la capa más externa, el bloque por el electrón diferenciador y el grupo por los electrones de valencia.
Para el elemento \(53 \) del sistema periódico, indicad el periodo, el grupo y el bloque a los que pertenece.
Construcción de la configuración electrónica.
Aplicamos la regla de llenado \(n + l \) hasta completar \(53 \) electrones.
Tras el gas noble criptón, con \(36 \) electrones, el orden continúa con \(5s \), \(4d \) y \(5p \):
Comprobamos el recuento: \(36 + 10 + 2 + 5 = 53 \) electrones.
El electrón diferenciador ocupa un orbital \(5p \), luego el elemento pertenece al bloque \(p \)
Determinación del periodo.
El periodo coincide con el mayor número cuántico principal que contiene electrones, que en este caso es \(n = 5 \), correspondiente a los orbitales \(5s \) y \(5p \)
Por tanto, el elemento pertenece al quinto periodo.
Determinación del grupo.
En el bloque pe, el número del grupo se obtiene sumando diez al número de electrones de valencia \(ns + np \):
El elemento \(53 \) es el yodo: pertenece al periodo \(5 \), al grupo \(17 \), el de los halógenos, y al bloque \(p \)
Su tendencia a captar un electrón para completar el octeto \(5s^25p^6 \) explica su carácter no metálico y su formación del ión yoduro \(\text{I}^- \)
Explicación: Vamos a escribir la configuración electrónica abreviada del hierro, detectar la anomalía aparente del orden de llenado y deducir su periodo, bloque y grupo a partir de los electrones de valencia.
El hierro tiene número atómico \(26 \)
Determina su configuración electrónica abreviada e indica su periodo, grupo y bloque.
Configuración electrónica.
Siguiendo el orden de Madelung hasta \(26 \) electrones, tras el argón con \(18 \) electrones se llenan el \(4s \) y después el \(3d \):
Verificamos: \(18 + 6 + 2 = 26 \) electrones.
Obsérvese que, aunque el orbital \(4s \) se llena antes que el \(3d \), en la escritura se colocan primero los orbitales con menor \(n \)
Periodo y bloque.
La capa con mayor número cuántico principal ocupada es \(n = 4 \), luego el hierro está en el cuarto periodo.
El electrón diferenciador ocupa un orbital \(3d \), por lo que pertenece al bloque de, el de los metales de transición.
Grupo y consecuencias químicas.
En el bloque de, el grupo se calcula sumando los electrones \((n-1)d + ns \):
El hierro pertenece al grupo \(8 \) del cuarto periodo.
Al ser un metal de transición, puede presentar varios números de oxidación, siendo los más estables \(+2 \) y \(+3 \), correspondientes a la pérdida de los electrones \(4s \) y de uno o dos electrones \(3d \)
Explicación: Vamos a situar el elemento en la tabla a partir de su configuración externa y deducir su carácter metálico, el ión que tiende a formar y el tipo de óxido que producirá.
Un elemento presenta la configuración electrónica externa \(3s^23p^4 \)
Determina su periodo, grupo y bloque, indica si es metal o no metal, el ión más probable que formará y el carácter ácido o básico de su óxido.
Posición en la tabla.
El mayor número cuántico principal es \(n = 3 \), luego pertenece al tercer periodo.
El electrón diferenciador está en un orbital \(3p \), así que es del bloque pe.
Los electrones de valencia son \(2 + 4 = 6 \), por lo que el grupo es:
Se trata del azufre, del grupo de los calcógenos.
Carácter químico e ión más probable.
El azufre se encuentra a la derecha de la tabla, en la zona de los no metales.
Su configuración externa \(3s^23p^4 \) está a dos electrones de completar el octeto \(3s^23p^6 \), por lo que tiende a captar dos electrones formando el ión sulfuro:
Carácter del óxido.
Los óxidos de los no metales son óxidos ácidos, que reaccionan con el agua dando oxoácidos.
El azufre forma el dióxido de azufre \(\text{SO}_2 \) y el trióxido de azufre \(\text{SO}_3 \), ambos de carácter ácido, coherente con su posición en la parte derecha de la tabla periódica.