La tabla periódica es uno de los iconos más emblemáticos de la ciencia. A pesar que en el 2019 se celebró el 150 aniversario de su creación, no se trata en absoluto de un documento acabado. En esta lección de unPROFESOR veremos cuál ha sido la evolución de la tabla periódica desde su creación hasta nuestros días y qué avances en el conocimiento de los átomos y sus propiedades lo han hecho posible.
¿Qué es la tabla periódica?
La tabla periódica o sistema periódico de los elementos es el documento científico que concentra más información en menos espacio y constituye uno de los iconos más poderosos de la ciencia. Contiene buena parte de los conocimientos que tenemos sobre química. No existe ningún documento parecido en ninguna otra disciplina científica.
La tabla periódica de los elementos es un sistema de clasificación de los elementos químicos que se inició hace más de 200 años. Este sistema de clasificación ha ido creciendo y modificándose a lo largo del tiempo, conforme la ciencia avanzaba y se iban descubriendo nuevos elementos químicos. Sin embargo, las distintas modificaciones se han ido incorporando manteniendo intacta su estructura fundamental.
La tabla periódica se denomina así porque expresa de forma gráfica el modo en que se repiten a intervalos regulares ciertas propiedades de las sustancias químicas. Se trata de un tipo de representación bidimensional o, en sus representaciones más modernas, tridimensional.
En la tabla periódica clásica (bidimensional) los elementos químicos se ordenan en grupos o familias y se representan en la tabla periódica actual en columnas verticales. La disposición ordenada de estos grupos en columnas da lugar a una serie de filas, que reciben el nombre de periodos, donde los elementos se ordenan en función de su peso atómico. La tabla periódica consta de siete periodos que varían en cuanto a su longitud.
Primera tabla periódica: el origen
Antes que Mendeléiev, otros científicos habían elaborado sistemas de clasificación de los elementos químicos. Pero, a diferencia de la tabla periódica de los elementos, eran meras listas de los elementos conocidos; mientras que la tabla periódica tiene la particularidad de que es un sistema de clasificación en dos dimensiones (filas y columnas) o tres dimensiones, en sus versiones más modernas, donde los elementos químicos se ordenan en sucesivas capas.
Por esta razón, los historiadores fechan el nacimiento de la tabla periódica moderna el 17 de febrero de 1869, cuando Dimitri Ivanovich Mendeléiev terminó la primera tabla periódica de las muchas que confeccionó. Esta tabla constaba de 63 elementos ordenados en familias y dejaba espacios vacíos para elementos aún no descubiertos, pero de los que había deducido su peso atómico (como en el caso del Galio, el Germanio y el Escandio)
El dato clave para el descubrimiento de la tabla periódica fue el conocimiento previo del peso atómico de cada elemento.
¿Qué es el peso atómico y número atómico?
Este número representaba el peso del átomo y era el único valor que se podía medir de los átomos. Pero no se trataba en ningún caso de mediciones directas (no existen aparatos de medida que permitan pesar átomos aislados) sino que eran un sistema que establecía un patrón en el que se daba un valor arbitrario de 1 al átomo de hidrógeno y el valor del peso atómico de los restantes elementos se calculaba en relación a este patrón.
Los primeros cálculos del número atómico de los elementos fueron llevados a cabo por el químico inglés John Dalton, y generó un gran debate científico durante la primera mitad del siglo XIX. Sin embargo, en la segunda mitad del siglo XIX, ya existía un consenso notable sobre el sistema de cálculo de los pesos atómicos de los elementos. El peso atómico se convirtió de Mendeléiev en adelante, en un criterio clave para la correcta ordenación de los elementos dentro de la tabla periódica.
Cuando Mendeléiev ordenó los elementos conocidos en función de su peso atómico creciente, observó la aparición de propiedades recurrentes que permitían agrupar los elementos en grupos o familias de elementos semejantes entre sí. Sin embargo, en algunos casos, la ordenación de los elementos en función de su peso atómico no respondía a las similitudes entre elementos que se observaban y Mendeléiev cambió la posición de 17 elementos en la ordenación de la tabla periódica a pesar de sus pesos atómicos, para poder agruparlos con aquellos elementos con los que presentaban analogías.
Estos cambios ponían en evidencia que algunos de los pesos atómicos aceptados no eran correctos y fueron recalculados. A pesar de las correcciones en los pesos atómicos, todavía había elementos que tuvieron que ser colocados en posiciones distintas a las que indicaban sus pesos atómicos.
Historia de la tabla periódica y evolución
A pesar de la indudable aportación de Mendeléiev, la tabla periódica de los elementos no es el resultado de los trabajos de un único investigador. Además de Mendeléiev, durante la segunda mitad del siglo XIX y a lo largo de todo el siglo XX muchos químicos siguieron investigando la mejor manera de organizar la información de los elementos químicos conocidos. Más aun teniendo en cuenta que durante esta época se fue produciendo el descubrimiento de nuevos elementos químicos o sustancias simples, gracias a la espectrometría (que estudia las interacciones entre los átomos y las radiaciones electromagnéticas).
La clasificación de los elementos en la tabla periódica se basó inicialmente en los incipientes cálculos de los pesos atómicos de los elementos y reveló analogías que permitían agrupar los elementos en familias análogas. Aun así no se podía explicar el motivo de la aparición de estas propiedades periódicas. Fue a lo largo del siglo XX, con el descubrimiento de la estructura electrónica, cuando se comprendió la razón de esta periodicidad en las propiedades de los elementos.
El número atómico como criterio de ordenación
A principios del siglo XX Glover y Rutherford, observaron que las partículas con carga del núcleo representaban aproximadamente la mitad del peso atómico. Este valor se corresponde con el concepto de número atómico que se define como el número de protones del núcleo atómico y que coincide con el número de electrones en un átomo neutro. Este nuevo valor justificaba los cambios de posición de determinados elementos que se habían realizado hasta entonces. Por ejemplo el cambio de posición entre el Telurio y el Yodo.
En 1913, Henry Moseley confirmó la ordenación de la tabla en función del número atómico mediante espectrometría de rayos X. La ordenación en función del número atómico sigue vigente en la actualidad.
Paralelamente, durante el siglo XX siguieron descubriéndose nuevos elementos químicos gracias a la mecánica cuántica y el desarrollo de la técnica de bombardeo de átomos mediante partículas, a partir de la segunda mitad del siglo. Con esta nueva técnica fue posible la creación de elementos artificiales que no están presentes en la naturaleza.
Aunque se había avanzado en la ordenación correcta de los elementos dentro de la tabla periódica, todavía no se comprendía el motivo de la aparición recurrente de determinadas propiedades (las propiedades periódicas). El desarrollo de la mecánica cuántica (rama de la física que estudia el comportamiento de luz y los átomos a escala microscópica) a partir de 1920 fue decisivo para explicar el porqué de estas propiedades.
Configuración electrónica como explicación a las propiedades periódicas
Durante la primera mitad del siglo XX, los físicos Niels Bohr y Wolfgang Pauli propusieron un modelo atómico en el que electrones solo pueden ocupar ciertas órbitas y donde los electrones se disponían formando capas de distinto nivel de energía. La forma en que se distribuyen los electrones en los orbitales en las distintas capas o niveles de energía se conoce con el nombre de configuración electrónica.
El descubrimiento de la disposición de los electrones en configuraciones electrónicas fue fundamental para la comprensión de la periodicidad de las propiedades periódicas, puesto que se observó que estas propiedades estaban íntimamente relacionadas con la configuración electrónica más externa de los átomos (capa de valencia).
El orden en que los electrones llenan los orbitales atómicos fue establecida por en 1930 por el físico Erwin Madelung que estableció una regla numérica para el orden de llenado. Esta regla se conoce como regla de Madelung y se trata de una regla empírica que no ha podido ser explicada por medio de la mecánica cuántica.
La secuencia de llenado es sencilla para las tres primeras filas de la tabla periódica, pero en la cuarta fila, donde se sitúan los elementos de transición, el orden de llenado sufre una serie de alteraciones. Hay un total de 20 elementos anómalos que no siguen esta regla.
Evolución de la tabla continúa en la actualidad
En 2006, el químico teórico Eugen Schawrz logró explicar las anomalías de la regla de Madelung teniendo en cuenta que los átomos pueden presentar distintas configuraciones electrónicas según el nivel de energía. Calculando los promedios, las configuraciones electrónicas de la mayoría de elementos sí que cumplen la regla de Madelung.
La tabla periódica sigue siendo motivo de debate en el siglo XXI, aunque no se discute la ordenación o la configuración electrónica de los elementos, sigue vigente explicar esta ordenación y las anomalías observadas en las configuraciones electrónicas mediante una teoría.
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Varios autores. (2019)Especial: la tabla periódica. Investigación y ciencia. Barcelona: Prensa científica S.A.