El Cedazo

Tras la pequeña introducción inicial, en fin, es hora de empezar el primer artículo de esta serie sobre la tabla periódica de los elementos.

Para atacar la tabla periódica podemos hacerlo de distintas maneras. Todo el mundo sabe qué es la tabla periódica: seguro que en algún punto de vuestra vida la habéis visto, incluso os han contado cosas acerca de los distintos elementos. Trataré de explicar cosas sobre ella y sus integrantes con un nivel relativamente digno, todo lo que hable de esta serie no se suele explicar en bachillerato si bien en los libros sí que aparece. Como Pedro siempre advierte, yo también lo haré: NO soy químico, soy un proyecto de químico. Si cometo errores o veis que se me va la mano a la hora de explicar algo, decidlo; si algún químico en la sala ve que me paso algunas cosas por ahí, que apriete los dientes un rato también, pues no quiero meterme muy al fondo del asunto. Este articulo es, además, bastante básico, así que si eres físico o químico casi que te lo puedes saltar o leer con los ojos cerrados.

Tras tanto preámbulo, dejad que os presente la tabla periódica:

Una de las muchas tablas periódicas que puedes encontrarte por internet. Click para ampliar. Sacada de http://www.acienciasgalilei.com/qui/tablaperiodica0.htm

¿No es bonita? Os he puesto ésta porque es bonita y tiene bastantes detalles, aunque en artículos posteriores usaré otras que vayan mejor para lo que esté explicando. He de comentar que en este artículo sólo explicaré algunas cosas de ella. Pero antes de atacarla, empecemos por lo básico: los elementos. ¿Qué es un elemento? Seguro que la gran mayoría de aquí sabe lo que es, yo recuerdo que me lo explicaron ya hace muchos años en la secundaria, pero aun así empezaremos con ellos. ¿Por qué hay tantos?

Pero es que antes de hablar de elementos quiero decir un par de cosas increíblemente básicas, pero que explicaré en caso de que alguien no lo sepa. Un átomo está formado por protones, neutrones y electrones. Los dos primeros se “apelotonan” juntos en lo que llamamos núcleo, mientras que los electrones no están en el núcleo (qué hacen ya lo hablaremos). No quiero hablar de estas tres partículas subatómicas muy a fondo, ni siquiera a los químicos nos explican mucho sobre ellas… si alguien está muy interesado en conocer más de ellas, Pedro ha escrito una fabulosa serie sobre las distintas partículas.

Átomo según Rutherford. Aunque incorrecto, es muy intuitivo. En rojo los electrones, en negro el núcleo, donde encontraríamos los protones y neutrones. Sacada de la wikipedia.

Sólo tenéis que saber que un protón es una partícula cargada positivamente, un neutrón es una partícula sin carga eléctrica con una masa muy parecida a la del protón, que estos dos se encuentran en el núcleo y que el electrón es una partícula subatómica cargada negativamente con una masa despreciable en comparación con la del protón.

Ahora sí, ¡ataquemos a los elementos!

Un elemento es una substancia que no puede ser descompuesta en otras substancias mediante reacciones químicas (vamos, sin mediar reacciones nucleares ni radiactividad). Un núcleo atómico está formado por un número determinado de protones y neutrones, y el número de protones que tiene un elemento es el que determina de qué elemento estamos hablando. El número atómico es el número de protones que un átomo tiene, se simboliza con la letra Z y es único para cada elemento: el hidrógeno tiene Z=1, y el oxigeno tiene Z=8, por ejemplo. Los elementos están ordenados según su número atómico de forma creciente, por cierto. Basta con que te digan un número atómico y con mirar la tabla periódica para saber de qué elemento estamos hablando. El número atómico es el número que suele acompañar el símbolo del elemento o su nombre y siempre destaca; en la imagen que he puesto aparece en la esquina superior izquierda de la celda de cada elemento.

Supongo que ya todo el mundo lo sabe, pero a cada elemento se le ha asignado un símbolo químico, que son una, dos o tres letras (la primera siempre en mayúsculas), que no son más que una abreviación del nombre del elemento. Lo bueno del asunto es que, a diferencia de muchas otras cosas, los químicos en esto sí que nos pusimos todos de acuerdo, y vayas donde vayas los símbolos son los mismos. Muchos de los elementos tienen abreviaturas de sus nombres griegos, latinos o de otros idiomas, y por tanto a veces no se parecen en nada al nombre del elemento en otro idioma. El sodio tiene el signo Na debido a que en latín se le daba el nombre de natrium al carbonato sódico, por ejemplo. Básicamente es una cosa de memoria, pues simplemente hay que recordarlos… cuando se estudia química aprenderse unos cuantos de los símbolos es indispensable, en el colegio es algo que a mí ya me obligaron a hacer. Debo decir que los españoles lo solemos tener bastante fácil, pues casi todos los elementos se parecen a su símbolo. Digo esto pero, al principio, alumnos que se equivocan con el fósforo (P) y el flúor (F) los hay unos cuantos. Los elementos descubiertos más recientemente reciben nombres, según el descubridor, en honor a algo o alguien y, la verdad, han habido discusiones tremendas a la hora de nombrar un elemento.

Sigamos desentrañando algo más de la tabla; antes he dicho que los electrones tienen mucha menos masa que los protones, por lo que para saber la masa de un átomo bastaría con saber su número atómico… pero en el núcleo no solamente hay protones, tenemos neutrones también. Los neutrones están presentes en todos los átomos… en todos excepto uno, el del protio, que es el nombre que se le da al átomo más simple que te puedas imaginar, un protón y un electrón. Es el átomo más abundante en la naturaleza, por cierto, y con una diferencia aplastante. Bien, pues los neutrones tienen más o menos la misma masa que los protones y estos se encuentran en el núcleo de los átomos y son muy importantes. No nos los encontraremos mucho, a decir verdad, pero supongo que no importa que explique cosas sobre ellos.

En el núcleo, por cierto, tenemos protones (carga positiva) en un espacio muy, muy pequeño. El motivo por el cual los protones no salen disparados debido a repulsiones electromagnéticas es gracias a que están los neutrones, estos hacen que el núcleo sea estable. Si alguien hace algún día una serie sobre las fuerzas fundamentales, al hablar sobre la fuerza nuclear fuerte éstas cosas quedaran más y mejor explicadas. Pues veamos, los átomos suelen tener una cantidad de neutrones normalmente mayor a Z,  por lo que su aportación a la masa es muy grande… y no todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de neutrones. Vaya, con lo fácil que era todo sólo con el número atómico. El caso es que los átomos de un mismo elemento suelen tener un número de neutrones que puede variar entre varios valores. Por ejemplo, en el hidrógeno podemos encontrar átomos con cero, uno o dos neutrones.

Llamamos isótopos a los átomos de un mismo elemento (misma Z) que tienen distinto número de neutrones y, en consecuencia, distinta masa. Es muy común que al hablar de isotopos de un elemento se indique de cuál estamos hablando, incluyendo el número másico como un superíndice delante del símbolo químico del elemento del que hablamos. Éste numero es simplemente la suma de protones y neutrones que tiene un átomo. El ¹H es el hidrógeno con un protón (tiene nombre propio además, se llama protio), el ²H es el hidrógeno con un protón y un neutrón (éste también tiene nombre propio, deuterio, e incluso símbolo químico, D); también es común decir el nombre del elemento seguido del número másico: en los ejemplos anteriores, hidrógeno 1 y hidrógeno 2. Cabe decir que no todos los isotopos de un elemento son estables: muchos de ellos no lo son, se desintegran con el paso del tiempo, son radiactivos. Muy pocos elementos tienen un solo isotopo (el sodio, por ejemplo), lo normal es que cada elemento tenga uno o varios isotopos estables, y, por fin, algunos elementos directamente no tienen ningún isotopo estable, el uranio, por ejemplo.

Lo importante es que los átomos de un elemento no se pusieron de acuerdo en su momento, y lo que nos encontramos en la Naturaleza es una mezcla de isótopos. El protio, hidrógeno 1 o ¹H es con mucho el isotopo más abundante del hidrógeno, pues su abundancia es del 99.985%, es decir, casi todos los átomos de hidrógeno son de protio, pero no todos; deuterio mucho no hay, pero está, y es debido a esta mezcla de isotopos en un mismo elemento que tengamos que hablar de unos cuantos conceptos que me han hecho estar escribiendo y borrando párrafos muchos rato.

Quiero hablaros del peso atómico, masa atómica, masa atómica relativa, que se confunden entre ellos y mucho. El peso atómico de un elemento es un sinónimo de la masa atómica relativa de un elemento. Significan el promedio de la suma de la masa de los protones y neutrones de los isotopos de un elemento. La masa atómica es la suma de la masa de los protones y neutrones de UN átomo. La gente suele confundir ambos conceptos y la verdad hay discusión sobre los términos debido a la palabra peso. El número que aparece a la izquierda del símbolo químico en la tabla periódica de arriba es el peso atómico. Es muy útil, tanto que cuando un estudiante mira en la tabla periódica casi siempre es para buscar el peso atómico de un elemento. Por cierto, hablamos de masas y pesos pero… y las unidades? No quiero entrar en ello, es tema de otra serie, pero quedaos con que el peso atómico puede pasarse a gramos, y, para los que sepan más, el peso atómico tiene el mismo valor numérico que gramos/mol.

Debo deciros otra cosa: para hacer las cosas más divertidas, resulta que la masa del núcleo de un átomo, de uno solo, nunca es igual a la suma de la masa de los protones y neutrones que se encuentran en él, siempre es algo menor. Esto se llama defecto de masa. Su definición es exactamente ésa, la diferencia entre la masa experimental y la indicada por su masa atómica. Rápido y fácil: la masa que “no está” se convierte en energía (según la tan famosa ecuación de la Relatividad Especial de e=mc²), y la energía liberada al formarse un núcleo entre el número de nucleones, que es el nombre que se le da al colectivo de protones y neutrones, tiene el nombre de energía de enlace por nucleón. Lo que significa que cuanto mayor sea ésta más y mejor estarán unidos los protones y neutrones en el núcleo. El hierro es el elemento con el núcleo con más energía de enlace por nucleón.

Sigamos con los isótopos, pero quiero destacar una cosa (seguro que a muchos esto os parece una tontería, pero creo que debo aclararlo): un isotopo NO estable, radiactivo, no significa que haga “puf” y desaparezca de golpe. No quiero entrar en radiactividad (para eso ya hay una serie) pero un isótopo no estable puede tener una vida de millones de años, así que, a efectos prácticos, muchos isótopos inestables forman parte de lo que ves y tocas en la vida normal. Un ejemplo muy claro es el tan famoso carbono 14. El carbono 14 es inestable, y por lo tanto radiactivo. Nadie muere por ello, que la palabra “radiactivo” da mucho miedo y en realidad es un fenómeno muy normal, aunque dosis altas de radiación, como es sabido, sí que son muy peligrosas. Como curiosidad, decir que el bismuto es el elemento más pesado con isótopos estables.

Ahora que ya sabemos alguna cosa más, hablemos sobre el origen de los elementos y su variedad. Hace unos 14 mil millones de años ocurrió el big bang, y poco tiempo después empezaron a existir los protones y neutrones. La temperatura del universo era entonces muy elevada, suficiente como para que estos protones y neutrones se unieran para formar los núcleos de los elementos más ligeros, es decir, hidrógeno 1, deuterio (o hidrógeno 2), helio 3, helio 4, berilio 7 y litio 7. Cuando la temperatura ya no era suficiente como para que se diesen esos procesos nucleares, el universo era prácticamente en su totalidad hidrógeno 1 y un poco de helio 4 (en realidad, casi como en la actualidad, por cierto). Debido a la atracción gravitatoria, estos átomos se pudieron ir concentrando en espacios relativamente cerrados, lo suficiente para que la presión gravitatoria ejercida por semejante cantidad de átomos permitiera la fusión nuclear. Si sabes un poco del tema o eres un fiel seguidor de El Tamiz sabes de qué estoy hablando, estamos hablando de las estrellas. Sobre ellas Pedro ha escrito más y mejor en una serie dedicada a ellas, yo haré aquí un brevísimo resumen que podría hacer enrojecer a alguien que sepa del tema.

La gran mayoría de estrellas se dedica a fusionar núcleos de hidrógeno para dar lugar a helio (el Sol, aparte de esto, se dedica a darnos calor y permitirnos la vida, por supuesto). Este proceso es una reacción exotérmica, es decir, es un proceso que libera energía. Conforme las estrellas van fusionando hidrógeno van envejeciendo, y cuando el hidrógeno empieza a escasearles, las estrellas con suficiente masa son capaces, entonces, de empezar a fusionar el helio para formar elementos más pesados, como berilio, carbono y oxigeno; las estrellas aun más masivas son capaces de ir fusionando sucesivamente estos elementos para formar aún más elementos pesados… hasta que asoma su cabeza el hierro, y es que ninguna estrella es capaz de fusionar elementos más pesados que el hierro. El hierro tiene el núcleo más estable, como ya he dicho antes; a partir de él las reacciones nucleares de fusión son reacciones endotérmicas, es decir, son procesos que requieren energía para producirse, y en las estrellas no se dan. Pero las estrellas que han llegado hasta ese punto no tienen un final feliz: dan lugar a una supernova, uno de los fenómenos más escalofriantes de la naturaleza, un fenómeno sencillamente… brutal. En fin, resumámoslo en que “la estrella explota de una forma salvaje“, y en este suceso se libera una energía descomunal, tan descomunal como para que se lleguen a formar átomos más pesados que el hierro.

En fin, los elementos creados en las supernovas que ocurrieron en las primeras etapas del universo se dispersaron por todas partes, y el Sistema Solar está en parte formado por estos elementos. Tú también. Eres polvo de estrella, amigo. Literalmente.

Como curiosidad, quiero que observéis el siguiente gráfico, en el que observamos la abundancia de los distintos elementos según su número atómico.

Gráfico de la abundancia de los elementos en función de su número atómico.

Observad que la tendencia es que la abundancia disminuya conforme aumenta Z, pero siempre va en zig zag con contadas excepciones. El litio, el berilio y el boro (Li, Be y B) tienen un defecto de poca abundancia según su Z, el hierro (Fe) es más abundante de lo que debería, el plomo (Pb) también, el hidrógeno y el helio son los más abundantes con gran diferencia, etc. Lo interesante es el zig-zag. Si miráis una tabla os daréis cuenta de algo: todos los elementos de los valles, es decir, entre los elementos más abundantes, son elementos con número atómico impar, mientras que los picos suelen ser elementos con número atómico par. De casualidad, por supuesto, nada. Esto ocurre igual con los isótopos según los neutrones que tengan, casi todos los estables tienen un número par de neutrones. Esto es así debido simplemente a que  el átomo es más estable de esta manera.

Bueno, ya estamos casi. Sólo un apunte un apunte muy, pero que ¡MUY importante! Trataré de que quede claro siempre que pueda haber confusión, pero lo advierto ya: ¡no confundas nunca el átomo de un elemento con la molécula de un elemento! ¿Lo cuálo? Podemos estar hablando de, por ejemplo, el átomo de hidrógeno (1 electron y un protón) o de la molécula de hidrógeno (dos átomos de hidrógeno unidos mediante un enlace covalente). Me he encontrado con que a veces la gente llega a confundir los dos términos, sobre todo cuando se habla sobre el átomo de un elemento en concreto y la persona que habla no aclara sobre qué se refiere, y es que hablar del hidrógeno a secas puede servir para ambos casos.

En fin, espero que  este artículo no os haya parecido un peñazo. En el siguiente artículo hablaremos de la historia y nacimiento de la tabla periódica. La verdad, el orden puede pareceros extraño pero inicialmente lo tenía pensado de forma distinta y la cosa era un caos.

Comentad qué os parece, si queréis que le ponga atención sobre algún aspecto concreto, o expresad vuestras quejas, dudas y correcciones. Serán bienvenidas.

The La tabla periódica I – Elementos e isótopos. by , unless otherwise expressly stated, is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.