Elementos representativos
Se denominan así a los grupos 1, 2, y del 13 al 18,
caracterizados por tener los electrones de la última capa (electrones de
valencia) en orbitales s (grupos 1 y 2) o s y p (grupos 13 al 18). Estos
elementos muestran en general variaciones distintivas y muy regulares de sus
propiedades con el número atómico: el carácter metálico aumenta de arriba a
abajo dentro de cada grupo y de derecha a izquierda en cada periodo.
A.- Grupo 1: Hidrógeno, litio, sodio, potasio, rubidio,
cesio, francio.
B.- Grupo 2: Berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario,
radio.
D.- Grupo 13: Boro, aluminio, galio, indio, talio y
ununtrium.
E.- Grupo 14: Carbono, silicio, germanio, estaño, plomo y
ununquadio.
F.- Grupo 15: Nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio,
bismuto y ununpentio.
G.- Grupo 16: Oxígeno, azufre, selenio, teluro, polonio y
ununhexio.
H.- Grupo 17: Flúor, cloro, bromo, iodo, astato y
ununseptio.
I.- Grupo 18: Helio, neón, argón, criptón, xenón, radón y
ununoctio.
Metales alcalinos
Los metales alcalinos corresponden al Grupo 1 de la Tabla
Periódica (anteriormente grupo I A), son metales muy reactivos, se oxidan con
facilidad por lo que no se encuentran libres en la naturaleza. El nombre
proviene de sus propiedades básicas (alcalinas). Constituyen el 4,8% de la
corteza terrestre, incluyendo capa acuosa y atmósfera. El sodio y el potasio
son los más abundantes; el resto es raro.
Su configuración electrónica muestra un electrón en su capa
de valencia (1 electrón s). Son muy electropositivos: baja energía de
ionización. Por tanto, pierden este electrón fácilmente (número de oxidación
+1) y se unen mediante enlace iónico con otros elementos. Son: litio, sodio,
potasio, rubidio, cesio y francio.
En estado sólido forman redes cúbicas.
Como el resto de los metales, los metales alcalinos son
maleables, dúctiles y buenos conductores del calor y la electricidad. Son
blanco-plateados, con puntos de fusión bajos (debido a las fuerzas de enlace
débiles que unen sus átomos) que decrecen según se desciende en el grupo y
blandos, siendo el litio el más duro. Presentan efecto fotoeléctrico con
radiación de baja energía, siendo más fácil de ionizar el cesio. La reactividad
aumenta hacia abajo, siendo el cesio y el francio los más reactivos del grupo.
El litio se parece bastante más al magnesio en cuanto a reactividad que al
resto de los alcalinos, debido a que el ion Li+ es muy pequeño.
Los metales alcalinos se recubren rápidamente de una capa de
hidróxido en contacto con el aire y reaccionan violentamente en contacto con el
agua, liberando hidrógeno que debido al calor desprendido, arde (con rubidio y
cesio la reacción es explosiva, ya que al ser más densos que el agua, la
reacción la producen en el fondo y el hidrógeno formado arde produciendo una
onda de choque que puede romper el recipiente). También reaccionan con el vapor
de agua del aire o con la humedad de la piel. Deben guardarse en líquidos
apolares anhidros.
Son reductores poderosos, sus óxidos son básicos así como
sus hidróxidos. Reaccionan directamente con los halógenos, el hidrógeno, el
azufre y el fósforo originando los haluros, hidruros, sulfuros y fosfuros
correspondientes. Con el amoníaco líquido dan soluciones de color azul en las
que hay electrones libres ocupando cavidades formadas por moléculas de
amoníaco; estas soluciones se emplean para reducir compuestos orgánicos; parece
que en estas soluciones existen especies M-1. Según aumenta la concentración de
metal, la solución toma color bronce y empieza a conducir la electricidad.
Casi todas las sales son solubles en agua, siendo menos
solubles las de litio.
Se emplean como refrigerantes líquidos en centrales
nucleares (litio, sodio, potasio) y como conductores de corriente dentro de un
revestimiento plástico.
Sus compuestos tienen un gran número de aplicaciones.
Metales Alcalinotérreos
Son los elementos metálicos del grupo 2 (antiguo IIA) de la
Tabla Periódica. El nombre del grupo proviene de la situación entre los metales
alcalinos y los elementos térreos y del hecho de que sus "tierras"
(nombre antiguo para los óxidos de calcio, estroncio y bario) son básicos
(álcalis). Son: berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio.
Constituyen algo más del 4% de la corteza terrestre (sobre
todo calcio y magnesio), pero son bastante reactivos y no se encuentran libres.
El radio es muy raro.
Se obtienen por electrólisis de sus haluros fundidos o por
reducción de sus óxidos.
Son metales ligeros con colores que van desde el gris al
blanco, con dureza variable (el berilio es muy duro y quebradizo y el estroncio
es muy maleable). Son más duros que los alcalinos.
Su configuración electrónica presenta dos electrones de
valencia (2 electrones s). Tienen todos, el número de oxidación +2 y son muy
reactivos, aumentando la reactividad al descender en el grupo. Se oxidan
superficialmente con rapidez. Son buenos reductores. Sus propiedades son
intermedias a las de los grupos entre los que se encuentran: sus óxidos son
básicos (aumentando la basicidad según aumenta el número atómico) y sus
hidróxidos (excepto el de berilio que es anfótero) son bases fuertes como los
de los alcalinos, pero otras propiedades son parecidas a las del grupo de los
térreos. Al aire húmedo y en agua forman hidróxido (desprendiendo hidrógeno),
en algunos casos sólo superficial que impide el posterior ataque o lo hacen más
lento (berilio y magnesio). Reaccionan directamente con halógenos, hidrógeno
(no berilio o magnesio), oxígeno, carbono, azufre, selenio y teluro, formando,
excepto el berilio, compuestos mayoritariamente iónicos. Reducen los iones H+ a
hidrógeno, pero ni berilio ni magnesio se disuelven ácido nítrico debido a la
formación de una capa de óxido.
Todos los compuestos suelen ser menos solubles en agua que
los del grupo 1.
Se emplean en la tecnología nuclear (berilio) y en
aleaciones de baja densidad, elevada solidez y estabilidad frente a la
corrosión (berilio, magnesio).
El berilio y el bario son venenosos, mientras que el
magnesio y el calcio son oligoelementos fundamentales de los seres vivos.
Elementos térreos o grupo del boro.
Lo forman el grupo 13 de la Tabla Periódica. Son: boro,
aluminio, galio, indio, talio y ununtrium. El nombre del grupo térreos deriva
de la arcilla (contiene aluminio) y se encuentra en desuso.
Constituyen más del 7% en peso de la corteza terrestre,
sobre todo el aluminio (metal más abundante y tercer elemento más abundante
después de oxígeno y silicio). Indio y talio son muy raros. Son bastante
reactivos, por lo que no se encuentran nativos. La mayoría de sus minerales son
óxidos e hidróxidos y, en el caso de galio, indio y talio, se encuentran
asociados con sulfuros de plomo y cinc.
Su configuración electrónica muestra tres electrones de
valencia (2 electrones s y 1 electrón p), por lo que el estado de oxidación que
alcanzan es +3; galio, indio y talio presentan además +1, aumentando la
tendencia a formar compuestos con este estado de oxidación hacia abajo. En
general, se parecen a los metales alcalinotérreos, aunque el boro es no metal;
el carácter metálico aumenta hacia abajo. Esto se traduce en una gran
diferencia de propiedades: el boro es duro (dureza entre el corindón y el
diamante) y el talio es un metal tan blando que puede arañarse con las uñas.
Estos elementos no reaccionan de modo apreciable con el
agua, aunque el aluminio puro si lo hace desprendiendo hidrógeno, pero forma rápidamente
una capa de óxido que impide la continuación de la reacción; el talio también
reacciona. Los óxidos e hidróxidos del boro son ácidos, los del aluminio y
galio son anfóteros y los del indio y talio son básicos; el TlOH es una base
fuerte. Sólo el boro y el aluminio reaccionan directamente con el nitrógeno a
altas temperaturas, formando nitruros muy duros. Reaccionan con los halógenos
formando halogenuros gaseosos (boro, aluminio, galio e indio) y sólido (talio).
La mayoría de las sales (haluros, nitratos, sulfatos,
acetatos y carbonatos) son solubles en agua.
No se disuelven en amoníaco. Son buenos reductores,
especialmente el aluminio (aluminotermia): se emplea para la obtención de los
metales a partir de sus óxidos, desprendiéndose una gran cantidad de energía al
formarse Al2O3.
El boro no conduce la corriente, el aluminio y el indio son
buenos conductores y los otros dos malos.
Sus aplicaciones en estado puro son: boro en industria
nuclear, semiconductores (dopado) y aleaciones, aluminio en aleaciones ligeras
y resistentes a la corrosión, galio en semiconductores (arseniuro de galio),
indio en aleaciones y semiconductores, talio en fotocélulas, vidrios.
El talio es muy tóxico.
Elementos carbonoides
Forman el grupo 14 de la Tabla Periódica. Son: carbono,
silicio, germanio, estaño, plomo y ununquadio.
Constituyen más del 27% en peso de la corteza, siendo el
silicio el que aporta prácticamente todo a ese valor, le sigue el carbono; el
germanio es el menos abundante. El silicio es el responsable de toda la estructura
inorgánica y el carbono de la vida orgánica de la superficie terrestre. Se
presentan en estado nativo carbono, estaño y plomo; aunque los minerales más
corrientes son los óxidos y sulfuros.
Las propiedades físicas y químicas varían mucho desde el
primero (carbono, no metal, forma compuestos covalentes con los no metales e
iónicos con los metales) al último (plomo, metal): el carbono es muy duro
(diamante) y el plomo rayado con las uñas. El silicio y germanio son metaloides
de dureza intermedia. Al descender en el grupo desciende la fuerza de enlace
entre los átomos y como consecuencia los puntos de fusión y ebullición.
Tienen cuatro electrones de valencia: 2 electrones s y 2
electrones p, por lo que los estados de oxidación que presentan son +4, +2 y
-4: los compuestos con +4 y la mayoría de los de número de oxidación +2 son
covalentes. El único ion -4 es el carburo.
No reaccionan con el agua. El germanio, estaño y plomo son
atacados por los ácidos. Con la excepción del carbono, son atacados por disoluciones
alcalinas desprendiendo hidrógeno. Reaccionan con el oxígeno. Los óxidos de
carbono y silicio son ácidos, el estaño es anfótero (reacciona con ácidos y
bases calientes) y lo mismo ocurre con el plomo. Existe una gran tendencia a
unirse consigo mismos, denominada concatenación al formar hidruros; esta
tendencia disminuye al descender en el grupo.
Los elementos silicio y el germanio se emplean en la
industria electrónica; el óxido de silicio en la fabricación de vidrios; el
carbono y sus derivados como combustibles y en la síntesis de productos
orgánicos; el estaño, el plomo y sus aleaciones son muy útiles.
El plomo es tóxico.
Elementos nitrogenoides
Forman el grupo 15 (antiguo VA) de la Tabla Periódica. Son:
nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio, bismuto y ununpentio. Constituyen el
0,33% de la corteza terrestre (incluyendo agua y atmósfera). A veces se
presentan nativos. Los minerales son óxidos o sulfuros. Se obtienen por
reducción de los óxidos con carbono o por tostación y reducción de los
sulfuros.
La configuración electrónica muestra que poseen cinco
electrones de valencia (2 electrones s y 3 electrones p), sin embargo, las
propiedades difieren del primero al último. Las propiedades metálicas se
incrementan desde el nitrógeno al bismuto de forma que el nitrógeno es no
metal, gas diatómico, las modificaciones negra del fósforo y gris de arsénico y
antimonio presentan algunas propiedades metálicas y el bismuto es un metal
pesado. Esto se traduce en una disminución de los puntos de fusión a partir del
arsénico, pues disminuye el carácter covalente de los enlaces y aumenta el
carácter metálico. La semiocupación de los orbitales p se traduce en un potencial
de ionización alto, ya que es una estructura electrónica relativamente estable.
Frente a los electropositivos (hidrógeno y metales)
presentan estado de oxidación -3, aunque disminuye la estabilidad de los
compuestos según crece el número atómico, y frente a los electronegativos
(oxígeno, azufre y halógenos) +3 y +5, aumentando la estabilidad de los
compuestos con el número atómico. Al crecer el número atómico predomina el
estado +3.
No reaccionan con el agua o con los ácidos no oxidantes;
salvo el nitrógeno, todos reaccionan con ácidos oxidantes. Con el oxígeno se
forman los óxidos con número de oxidación +3 y +5, excepto el nitrógeno que
forma todos los comprendidos entre +1 y +5, aunque principalmente, +1, +2, +4.
La acidez de los hidróxidos X(OH)3 disminuye según aumenta el número atómico,
siendo el Bi(OH)3 básico. En estado pentavalente todas las combinaciones
oxigenadas son ácidas, disminuyendo su fuerza según aumenta el número atómico.
En estado elemental el nitrógeno se emplea como gas inerte
en soldadura y conservación, el arsénico y antimonio como semiconductores, el
fósforo en pirotecnia. Los compuestos de nitrógeno y fósforo son
importantísimos y se emplean en abonos, detergentes, etc.
El fósforo, arsénico y antimonio y sus combinaciones son tóxicos.
Elementos calcógenos o anfígenos
Forman el grupo 16 (antiguo VIA) de la Tabla Periódica. Son:
oxígeno, azufre, selenio, teluro, polonio y ununhexio.
El nombre calcógeno proviene del griego y significa formador
de minerales: una gran parte de los constituyentes de la corteza son óxidos o
sulfuros. El término anfígeno fue asignado por Berzelius y significa formador
de ácidos y bases.
El oxígeno es el elemento más abundante de la tierra (50,5%
en peso de la corteza). Los demás son menos frecuentes. El polonio es muy raro,
siendo un producto intermedio de pequeño período de semidesintegración en las
series de desintegración, su porcentaje es de 2,1x10-14. Los minerales son
óxidos, sulfuros y sulfatos y también se encuentran en estado nativo.
El oxígeno se extrae del aire y el resto por reducción de
los óxidos o nativos. El selenio y teluro se obtienen como subproductos de los
barros de las cámaras de plomo o de los barros anódicos. El polonio se obtiene
bombardeando bismuto con neutrones.
La configuración electrónica presenta seis electrones de
valencia: 2 electrones s y 4 electrones p. Al crecer el número atómico
disminuye la tendencia de los electrones a participar en la formación de
enlaces. Los estados de oxidación más usuales son -2, +2, +4 y +6, los dos
últimos debido a la presencia de orbitales d a partir del azufre.
El oxígeno y azufre son no metales, mientras que el carácter
metálico aumenta del selenio al polonio. El oxígeno es un gas diatómico y el
polonio un metal pesado. Presentan modificaciones, excepto polonio, algunas de
selenio y teluro son metálicas.
La estabilidad de las combinaciones análogas con elementos
electropositivos disminuye al crecer el número atómico. El carácter ácido de
los oxoácidos disminuye de la misma forma; el de los calcogenuros de hidrógeno
aumenta al aumentar el número atómico, siendo todos ellos débiles en disolución
acuosa. No reaccionan con el agua y, salvo el azufre, no reaccionan con las
bases. Excepto el oxígeno, todos reaccionan con el ácido nítrico concentrado.
Con el oxígeno forman dióxidos que en con agua dan lugar a los correspondientes
oxoácidos. Con los metales forman óxidos, sulfuros, seleniuros y telururos,
cuya estabilidad disminuye desde el oxígeno al teluro.
El oxígeno es fundamental en todos los procesos de oxidación
(combustiones, metabolismo de los seres vivos) y es la base de numerosos
procesos industriales. El azufre se emplea como fungicida y en numerosos
procesos industriales. El selenio y teluro se emplean como semiconductores. El
polonio no tiene prácticamente utilidad.
Las combinaciones hidrogenadas de estos elementos (excepto
el agua) son gases tóxicos de olor desagradable.
Halógenos
Los halógenos son los cinco elementos no metálicos que se
encuentran en el Grupo 17 de la Tabla Periódica: flúor, cloro, bromo, iodo,
astato y ununseptio. El término "halógeno" significa "formador
de sales" y a los compuestos que contienen halógenos con metales se les
denomina "sales".
No se encuentran libres en la naturaleza, pero si,
mayoritariamente, en forma de haluros alcalinos y alcalinotérreos. El astato es
muy raro, ya que es producto intermedio de las series de desintegración
radiactiva.
Aunque su electronegatividad es elevada, el carácter
metálico aumenta según lo hace el número atómico, así, el yodo tiene brillo
metálico.
Se presentan en moléculas diatómicas cuyos átomos se
mantienen unidos por enlace covalente simple y la fortaleza del enlace
disminuye al aumentar el número atómico.
A temperatura ambiente, los halógenos se encuentran en los
tres estados de la materia:
Sólido- Iodo, Astato
Líquido- Bromo
Gas- Flúor, Cloro
Los halógenos tienen 7 electrones en su capa más externa, lo
que les da un número de oxidación de -1 y son enormemente reactivos
(oxidantes), disminuyendo la reactividad según aumenta el número atómico.
Excepto el flúor, presentan también los estados de oxidación +1, +3, +5, +7. El
flúor es el elemento más reactivo y más electronegativo del Sistema Periódico.
Reaccionan con el oxígeno, formando óxidos inestables; esta
reactividad disminuye al aumentar el número atómico. Excepto el flúor que la
oxida, se disuelven en agua y reaccionan parcialmente con ella. Reaccionan con
el hidrógeno para formar haluros de hidrógeno, que se disuelven en agua,
formando disoluciones ácidas (ácidos hidrácidos); el ácido más fuerte es el HI.
Reaccionan con casi todos los metales formando haluros metálicos, casi todos ellos
iónicos.
En estado elemental se usa solamente el cloro en el
tratamiento de aguas. Los compuestos de estos elementos son muy importantes y
útiles.
Debido a su poder oxidante, todos los halógenos son tóxicos.
Algunas combinaciones halogenadas (fluoruros, cloratos y bromatos) son muy
venenosos.
El flúor, el cloro y el yodo son oligoelementos importantes
para los seres vivos.
Gases Nobles
Los gases nobles se encuentra en el grupo 0 o 18 de la Tabla
Periódica. Los elementos son: helio, neón, argón, criptón, xenón, radón y
ununoctio. Estos elemento se consideraron inertes hasta 1962, debido a que su
estado de oxidación es 0, teniendo 8 electrones en su última capa (2 electrones
s y 6 electrones p), lo que les impide formar compuestos fácilmente. Tienen una
energía de ionización muy alta, por lo que son muy estables. Debido a esto,
fueron descubiertos muy tarde: Cavendish en 1785 aisló el primero, a partir del
aire, aunque no fue capaz de identificarlo. En 1868 Jannsen descubre el helio
y, a partir de 1894, Ramsay, Travers y Rayleigh aíslan e identifican los gases
nobles, excepto radón, que fue descubierto por Dorn en 1898 y aislado por
Ramsay y Gray en 1908.
El helio es el segundo elemento más abundante del Universo.
En la atmósfera hay un 1% de gases nobles (fundamentalmente argón (0,94%)).
Se obtienen por licuación fraccionada de aire. El helio a
partir de pozos de gas natural.
Todos son gases incoloros, inodoros e insípidos, solubles en
agua. Tienen puntos de fusión muy bajos ya que las únicas fuerzas existentes
entre los átomos en estado líquido y sólido son las de London. Excepto el
helio, que lo hace en el sistema hexagonal, cristalizan en el sistema cúbico.
Poco diferentes desde el punto de vista químico. En 1962 se informó de la
formación del XePtF6. Posteriormente se han obtenido compuestos de criptón,
xenón y radón con flúor, cloro, oxígeno y nitrógeno, así como compuestos
físicos (clatratos): disoluciones sólidas en las que ciertos átomos o moléculas
están atrapados en los espacios de un retículo cristalino.
Su uso principal está en iluminación: tubos de descarga
(helio da color marfil, neón rojo, argón azul rojizo, criptón azul verdoso y
xenón violeta); bombillas incandescentes (criptón y xenón, que impiden la
difusión térmica del metal del filamento y aumentan la temperatura de trabajo y
el rendimiento luminoso). Otros usos son la creación de atmósferas inertes en
soldadura y corte (argón), relleno de globos (helio), gases de inmersión
(helio), refrigerantes para bajas temperaturas y superconductividad (helio,
neón).
En este video se muestra como se comportan los elementos al interactuar entre ellos.
Fuentes
- Química inorgánica. Therald Moeller. Editorial Reverté, 1994. ISBN: 8429173900. Pág.117
- Química: la ciencia básica. Miguel Ángel Domínguez Reboiras, Miguel Ángel Domínguez Reboiras. Editorial Paraninfo, 2006. ISBN: 8497323475, pág. 920
- Elementos representativos. En: Química. Raymond E. Davis, Kenneth W. Whitten. Cengage Learning Editores, 2008. ISBN: 9706867988. Pág. 245
- Jensen, William B. (2003). «The Place of Zinc, Cadmium, and Mercury in the Periodic Table». Journal of Chemical Education 80 (8): pp. 952–561. doi:10.1021/ed080p952. Bibcode: 2003JChEd..80..952J.
Periodicidad y la Química de los elementos representativos. Editorial
Universidad de Costa Rica. ISBN: 9977679142.

