La tabla periódica

La Tabla Periódica organiza todos los elementos en orden de número atómico creciente (el número de protones). Las filas horizontales se llaman períodos y las columnas verticales se llaman grupos.

Algunos patrones clave:

• A lo largo de un período, los elementos cambian de metales a la izquierda a no metales a la derecha.
• El número del grupo indica la carga de los iones que forman los elementos. El Grupo I forma iones $+1$, el Grupo II forma iones $+2$ y el Grupo VII forma iones $-1$.
• Los elementos del mismo grupo tienen propiedades químicas similares. Esto se debe a que tienen el mismo número de electrones de valencia (la misma configuración electrónica externa).

Debido a estos patrones, puedes usar la posición de un elemento para predecir sus propiedades.

A lo largo del período 3, de izquierda a derecha:

Los metales de la izquierda conducen la electricidad y forman iones positivos al perder electrones; los no metales de la derecha forman iones negativos al ganar electrones (o comparten electrones en enlaces covalentes). Los elementos del grupo IV generalmente no forman ninguno de los dos tipos, y los gases nobles no forman iones. Los óxidos metálicos son básicos; los óxidos no metálicos son ácidos.

Ejemplo resuelto. El elemento X está en el grupo II y en el período 4. Predice tres de sus propiedades. Está en el grupo II, por lo que es un metal con 2 electrones externos, que forma iones X$^{2+}$; su óxido es básico. Está en el mismo grupo que el magnesio, por lo que reacciona de forma similar, por ejemplo, con ácidos para producir hidrógeno y una sal. (X es calcio).

Los elementos del Grupo I son los metales alcalinos: litio, sodio y potasio. Son metales blandos (se pueden cortar con un cuchillo).

Al descender por el grupo, hay tendencias claras:

Puedes usar estas tendencias para predecir las propiedades de otros elementos del Grupo I. Por ejemplo, el rubidio (debajo del potasio) sería aún más reactivo y tendría un punto de fusión aún más bajo.

Ejemplo resuelto (uso de datos).

Predice el punto de fusión del rubidio. El punto de fusión disminuye al descender en el grupo, por lo que el del rubidio se encuentra entre el del potasio (63 °C) y el del cesio (29 °C): aproximadamente 40 °C (el valor real es 39 °C). ¿Flotará el rubidio en el agua? Su densidad, 1.53 g/cm³, es mayor que la del agua (1.00 g/cm³), por lo que se hundiría, a diferencia del litio, el sodio y el potasio. Su reacción con el agua sería aún más violenta que la del potasio y produciría hidróxido de rubidio e hidrógeno: $2\text{Rb} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{RbOH} + \text{H}_2$.

Por qué aumenta la reactividad. Todos los átomos del grupo I reaccionan perdiendo su único electrón externo para formar un ion $+1$. Al descender en el grupo, el electrón externo está en una capa más alejada del núcleo, por lo que está retenido con menos fuerza y se pierde más fácilmente.

Reacción con el agua y lo que se observa

Esta es la reacción sobre la que más se pregunta en los exámenes. Cada metal del Grupo I reacciona con el agua para formar una alcali (hidróxido metálico) más hidrógeno, razón por la cual se llaman metales alcalinos:

«Describe lo que observas» tiene puntos propios, así que aprende la lista para el sodio en agua:

• flota - el metal es menos denso que el agua.
• se funde formando una bola - la reacción libera calor y el punto de fusión del metal es bajo.
• se mueve por la superficie - el chorro de hidrógeno que escapa lo empuja.
• hay efervescencia (burbujeo): el gas hidrógeno se escapa.
• se hace más pequeño y desaparece a medida que se consume.
• la solución se vuelve alcalina, por lo que el indicador universal se torna morado (ahora es $\text{NaOH}$).

La tendencia se refleja en la violencia de la reacción: el litio produce efervescencia constante, pero no se funde; el sodio se funde formando una bola y se mueve rápidamente; el potasio reacciona con suficiente rapidez para encender el hidrógeno que produce y arde con una llama lila. Evita dos respuestas: «se desprende hidrógeno» no es una observación (no puedes verlo; di efervescencia) y el metal se funde porque la reacción es exotérmica, no porque «el agua está caliente».

Los elementos del Grupo VII son los halógenos: cloro, bromo y yodo. Son no metales diatómicos (cada molécula está formada por dos átomos, como $\text{Cl}_2$).

Su apariencia a temperatura y presión ambiente:

Al bajar por el grupo, la densidad aumenta pero la reactividad disminuye (tendencia opuesta a la del Grupo I).

Los halógenos también adquieren un color más oscuro al descender en el grupo y pasan de gas a líquido y a sólido, porque sus puntos de fusión y de ebullición aumentan. Así, el flúor, por encima del cloro, es un gas amarillo muy pálido y el halógeno más reactivo; se espera que el astato, por debajo del yodo, sea un sólido negro y el menos reactivo.

En agua, el cloro produce una solución verde muy pálida, el bromo una solución naranja (o amarillo anaranjado) y el yodo una solución marrón. Estos colores permiten identificar, en un tubo de ensayo, qué halógeno se ha formado.

Por qué disminuye la reactividad. Los átomos de halógeno reaccionan ganando un electrón para completar su capa externa y formar un ion $-1$. Al descender en el grupo, la capa externa está más alejada del núcleo, por lo que un electrón entrante es atraído con menos fuerza y se gana con menos facilidad.

Reacciones de desplazamiento

Un halógeno más reactivo desplaza a un ion haluro menos reactivo de su solución. Esta es una reacción de desplazamiento.

Por ejemplo, el cloro es más reactivo que el bromo, por lo que desplaza al bromo del bromuro de potasio:

Los iones de potasio no cambian, por lo que la reacción puede escribirse como una ecuación iónica:

Esta es una reacción redox: el cloro gana electrones (se reduce) y los iones de bromuro pierden electrones (se oxidan).

Ejemplo resuelto. Se añade cloro acuoso a una solución de yoduro de potasio; después se añade yodo acuoso a una solución de bromuro de potasio. ¿Qué ocurre en cada caso? La reactividad disminuye al descender en el grupo VII: cloro, luego bromo y luego yodo. (a) El cloro está por encima del yodo, por lo que es más reactivo y lo desplaza: $\text{Cl}_2 + 2\text{KI} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{I}_2$, y la solución se vuelve marrón al liberarse el yodo. (b) El yodo está por debajo del bromo, por lo que es menos reactivo y no puede desplazarlo: no hay reacción ni cambio de color. «No hay reacción» es una respuesta completa que obtiene puntos: comprueba el orden en el grupo antes de escribir cualquier ecuación.

Los elementos de transición son el bloque de metales en el centro de la Tabla Periódica. En comparación con los metales del Grupo I, ellos:

• tienen altas densidades;
• tienen altos puntos de fusión;
• forman compuestos coloreados;
• a menudo actúan como catalizadores, tanto como elementos como en compuestos.

También pueden tener números de oxidación variables. Por ejemplo, el hierro forma compuestos de hierro(II) e hierro(III).

El número romano en el nombre indica el número de oxidación (la carga del ion). Ejemplos de elementos de transición como catalizadores: hierro en el proceso Haber para producir amoníaco y óxido de vanadio(V) (un compuesto) en el proceso de contacto para producir ácido sulfúrico.

Ejemplo resuelto. El elemento Y tiene un punto de fusión de 1910 °C, una densidad de 6.1 g/cm³ y forma un cloruro verde y otro azul. ¿Es más probable que sea un metal del grupo I o un elemento de transición? Un elemento de transición: su punto de fusión y su densidad son altos (los metales del grupo I se funden por debajo de 200 °C y tienen densidades cercanas o inferiores a 1 g/cm³), forma compuestos coloreados y los dos cloruros diferentes indican números de oxidación variables.

Los gases nobles del Grupo VIII son inertes, gases monoatómicos (existen como átomos individuales, no como moléculas).

Son inertes porque ya poseen una capa externa completa de electrones. Esto los hace estables, por lo que no necesitan ganar, perder o compartir electrones.

Errores comunes.

• Decir que la Tabla Periódica está ordenada por masa. Está ordenada por número de protones.
• Dar a los halógenos la misma tendencia que al Grupo I. Los metales alcalinos se vuelven más reactivos hacia abajo en el grupo; los halógenos se vuelven menos reactivos.
• Esperar que el yodo desplace al cloro. Solo un halógeno más reactivo desplaza a uno menos reactivo: el cloro desplaza bromuros y yoduros; el yodo no desplaza ninguno.
• Escribir el cloro como Cl en una ecuación. Los halógenos son diatómicos: $\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$.
• Confundir el halógeno con el haluro. Cloro es el elemento $\text{Cl}_2$; cloruro es el ion $\text{Cl}^{-}$ en un compuesto como KCl.
• Decir que los gases nobles no son reactivos porque sus capas son «estables». Explica por qué: tienen una capa externa completa, por lo que no necesitan ganar, perder ni compartir electrones.

• La Tabla Periódica está ordenada por número de protones. Los elementos del mismo grupo (columna) tienen el mismo número de electrones externos, por lo que reaccionan de manera similar; los períodos son las filas.
• El Grupo I (metales alcalinos) se vuelve más reactivo al bajar; el Grupo VII (halógenos) se vuelve menos reactivo al bajar — tendencias opuestas.
• Un halógeno más reactivo desplaza a uno menos reactivo desde una solución de su sal — por ejemplo, el cloro desplaza al bromo.
• Los gases nobles son inertes porque tienen una capa externa completa. Los elementos de transición son duros y densos, forman compuestos coloreados, actúan como catalizadores y tienen números de oxidación variables.
• En una pregunta de predicción, usa la tendencia de los datos proporcionados: el nuevo valor se encuentra más allá de sus valores vecinos o entre ellos.
• Aprende los colores de las soluciones de halógenos: cloro verde pálido, bromo naranja, yodo marrón.