TEMA 11: Clasificación de los elementos y estructura de la materia

A principios del siglo XIX, John Dalton formuló su teoría atómica, proponiendo que la materia está compuesta por átomos indivisibles. Sin embargo, esta teoría no fue inmediatamente aceptada por la comunidad química. Muchos químicos consideraban a los átomos como entidades teóricas que no aportaban utilidad práctica en sus experimentos, donde se basaban en la medición y el peso de reactivos y productos.

 En este contexto, surgieron varias corrientes de pensamiento. Los atomistas defendían la teoría atómica de Dalton, mientras que los equivalentistas preferían basar sus experimentos en el peso de los elementos que se combinaban con oxígeno, mostrando una fuerte oposición a la teoría atómica. Los positivistas, influenciados por un racionalismo extremo, rechazaban cualquier concepto que no pudiera medirse o percibirse directamente. Además, los energetistas, liderados por figuras como Wilhelm Ostwald, argumentaban que la energía era la verdadera realidad, superior a la materia, y relegaban la idea del átomo a los físicos. 

A pesar de estas controversias, los físicos lograron importantes avances en la comprensión de la estructura atómica, gracias a sus estudios y experimentos. Paralelamente, los químicos, a través de una serie de experimentos cada vez más numerosos y diversos, descubrieron un número creciente de elementos. Esta proliferación de nuevos elementos y la observación de similitudes entre ellos impulsaron la necesidad de clasificarlos según sus propiedades observables y medibles. Este período marcó un punto crucial en la química, ya que se empezó a investigar no solo las propiedades externas de los elementos, sino también su estructura interna, es decir, la constitución de sus átomos.

Los Gases y la Estructura de la Materia

A mediados del siglo XIX, se conocía que la materia tenía una naturaleza eléctrica, como se ha mencionado anteriormente. Sin embargo, aún no se comprendía completamente la constitución de la electricidad. De los tres estados de la materia, el estado gaseoso era el mejor entendido en cuanto a su comportamiento. Las leyes que describían el comportamiento de los gases eran relativamente simples y podían expresarse en un lenguaje matemático accesible.

En el siglo XVIII, Daniel Bernoulli (1700-1782), un físico, matemático y médico suizo, postuló que entre las moléculas de un gas no existían prácticamente interacciones y que estas moléculas estaban en constante agitación. Estas ideas anticipaban la teoría cinética de los gases, que fue formalizada más de un siglo después por Rudolf Clausius en 1858. No obstante, fue Ludwig Boltzmann (1844-1906) quien realmente desarrolló la teoría cinética de los gases, llevándola a la mecánica estadística e introduciendo el concepto de probabilidad de los estados macroscópicos de un gas. En 1876, Boltzmann formuló la expresión de la entropía de un gas, creando un vínculo entre la termodinámica y la teoría cinética de la materia. Aunque sus ideas fueron inicialmente rechazadas, con el tiempo demostraron ser correctas, allanando el camino para la teoría de los cuantos de Planck y el descubrimiento de los fotones por Einstein.

Por otro lado, Thomas Andrews (1813-1885) introdujo en 1869 el concepto de temperatura crítica de un gas, la temperatura por encima de la cual un gas no puede licuarse, sin importar cuánto se aumente la presión. Poco después, el físico holandés Johannes D. van der Waals (1837-1923) observó que los gases se desviaban considerablemente de la ley de Boyle-Mariotte a altas presiones y bajas temperaturas. Van der Waals postuló que estas desviaciones se debían a interacciones entre las moléculas gaseosas y a que ocupaban un cierto volumen, aunque pequeño. Propuso una ecuación de estado para los gases reales que incluía parámetros adicionales para tener en cuenta estas interacciones y volúmenes.

Estas investigaciones sobre el comportamiento de los gases tuvieron consecuencias teóricas y prácticas significativas. El conocimiento de las temperaturas críticas permitió licuar gases considerados permanentes, como el nitrógeno y el oxígeno, lo que abrió el camino a la experimentación a bajas temperaturas. Investigadores como James Dewar y Carl von Linde hicieron importantes contribuciones en este campo, con Linde obteniendo aire líquido por primera vez en 1895.

 Necesidad de una Clasificación de los Elementos

Aunque el mundo que nos rodea es extremadamente complejo y la cantidad de compuestos químicos es enorme, el número de elementos químicos es relativamente reducido, poco más de cien. Sin embargo, estos elementos fueron descubriéndose paulatinamente a lo largo de la historia. Desde tiempos muy antiguos, se conocían elementos como el oro, la plata y el azufre. A lo largo de los siglos, se fueron añadiendo otros como el plomo, el cobre, el estaño, el hierro, el mercurio, el antimonio y el carbono, conocidos ya en los inicios de la era cristiana. Durante el extenso periodo de la alquimia, a pesar de su considerable desarrollo en técnicas y experimentos, solo se llegaron a conocer unos doce elementos hasta el año 1700. Con el avance de las nuevas ideas en química durante el siglo XVIII, se caracterizaron veintiún elementos adicionales y en el siglo XIX se descubrieron cuarenta y siete más. El resto de los elementos del sistema periódico se descubrieron ya en el siglo XX.

Primeros Intentos de Clasificación

A medida que el número de elementos conocidos aumentaba, los químicos comenzaron a notar ciertas similitudes entre ellos, lo que llevó a los primeros intentos de clasificarlos, aunque sin demasiado éxito inicial. El químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner fue uno de los primeros en lograr cierto éxito: en 1817, empezó a agrupar elementos con pesos atómicos similares en tríadas. Por su parte, el francés Jean-Baptiste Dumas comenzó en 1830 a clasificar los no metales en tríadas que él denominó familias naturales, mientras que su compatriota Louis Jacques Thénard clasificó los metales según su reactividad frente al agua y el aire, dividiéndolos en cuatro grupos, desde los metales nobles, que no se oxidaban, hasta los metales que se oxidaban muy fácilmente.

Estas primeras clasificaciones consistían en agrupar elementos por ciertas analogías en alguna propiedad física o química, pero no se había identificado ninguna periodicidad en estas propiedades. Fue el científico francés Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois quien realizó una observación genial: las propiedades de los elementos eran repetitivas. En 1862, ordenó los elementos según su peso atómico creciente en una especie de hélice, mostrando la repetición de propiedades. En 1864, el inglés John Alexander Reina Newlands formuló la regla de la "octava", basada en una analogía con las notas musicales. Clasificando los elementos según su peso atómico creciente, observó que cada octavo elemento tenía propiedades similares, lo que llevó a la idea de las familias de elementos que se correspondían con estas "octavas". Aunque las conclusiones de Newlands fueron muy interesantes, su trabajo no tuvo éxito en su tiempo.

Sistemas Periódicos

Basándose en la idea de periodicidad, el químico alemán Lothar Meyer realizó una clasificación en grupos de elementos con algunas analogías significativas, detallada en su libro "Teorías de la química moderna". En 1869, Meyer se dio cuenta de la relación entre el peso atómico de los elementos y su densidad, lo que le permitió realizar una ordenación general de los elementos.

En ese mismo año, el químico ruso Dmitri Mendeléyev propuso otra clasificación, basada en las propiedades químicas de los elementos, y observó que estas propiedades eran una función periódica del peso atómico. Mendeléyev ordenó los sesenta y tres elementos conocidos hasta entonces en una tabla con seis grupos, similar a la tabla periódica actual, aunque dispuso los periodos verticalmente. Además, tuvo la visión de futuro de prever la existencia de elementos desconocidos en su tiempo, dejando huecos en su tabla para ellos.

Tabla periódica de Mendeleyeev: marzo de 1869, primera tabla periodica

Avances y Consolidación de la Tabla Periódica

Aunque al principio estas ideas no tuvieron una acogida muy calurosa, posteriormente tuvieron un gran éxito, sobre todo cuando Lecoq de Boisbaudran, Moseley y Rydberg continuaron estudiando en esta dirección. Así, en 1875, Lecoq de Boisbaudran descubrió el galio, cuya existencia había sido predicha por Mendeléyev (quien lo había llamado "eka-aluminio"). Henry Moseley (1887-1915), por su parte, obtuvo espectros de rayos X de muchos elementos, utilizando estos como anticátodos. Moseley observó que estos espectros consistían en una serie de líneas características y se dio cuenta de que existía una relación entre la frecuencia de la primera de estas líneas y un parámetro que resultó ser el número de orden del elemento en cuestión en la tabla periódica, al que llamó "número atómico" (1913). Moseley determinó la expresión matemática de esta relación (la ley de Moseley, totalmente empírica), lo cual facilitó mucho la determinación de la posición de los nuevos elementos que se iban descubriendo.

Poco a poco se fueron encontrando nuevos elementos, como el escandio en 1879 y el germanio en 1886. Sin embargo, uno de los descubrimientos más sorprendentes fue el de dos gases del aire que, en principio, resultaban inclasificables: el argón, descubierto en 1894 por Rayleigh y Ramsay (argón en griego significa "inerte"), y el helio, encontrado por Ramsay en 1895. Por esta razón, se creó para ellos un nuevo grupo, el grupo cero, en el cual se previó la existencia de otros elementos que luego también fueron descubiertos, constituyendo el grupo de los gases raros o gases nobles.

Asimismo, se descubrieron otros elementos inclasificables, conocidos como "tierras raras", que después recibieron el nombre de lantánidos, formando un grupo de 15 elementos. Así se llegó a 92 elementos naturales, desde el hidrógeno (elemento 1) hasta el uranio (elemento 92). Posteriormente, ya bien entrado el siglo XX, se añadieron otros elementos que no se han encontrado en la naturaleza, sino que se han obtenido artificialmente en reacciones nucleares: los elementos transuránidos, que forman parte de los actínidos. Con todos estos descubrimientos se llegó a la tabla periódica más utilizada actualmente, elaborada en 1905 por Werner, aunque con ciertos arreglos posteriores, y constituida por 18 columnas y 7 líneas horizontales.

Tabla periódica actual

 

Evidencias Experimentales: Partículas Subatómicas

Aparte de que muchos importantes científicos de la segunda mitad de ese siglo tuvieran fuertes convicciones sobre la validez de la teoría atómica —como el físico Max Planck, creador de la teoría cuántica en 1900—, aparecieron algunos datos experimentales que contribuyeron firmemente a ratificarla. Tal es el caso de la comprobación del movimiento browniano de las partículas coloidales, mediante la aplicación de un nuevo tipo de microscopio —el ultramicroscopio— que permitía evidenciar ese movimiento, con lo que posteriores estudios demostraron que al estado coloidal se le podían aplicar leyes propias de los gases. Esto, a su vez, fue una concluyente prueba de la naturaleza corpuscular de la materia.

Ciencia y Tecnología

El invento en 1903 del ultramicroscopio, debido a Zsigmondy (Premio Nobel de Química en 1925), muestra nuevamente las interconexiones entre la ciencia y la tecnología: ambas caminan estrechamente unidas, influyéndose mutuamente y repercutiendo, en definitiva, en la vida del hombre.

 Estudio de la Electricidad y la Descubrimiento del Electrón

Por otra parte, gran número de científicos seguían en la línea de estudiar la electricidad, tanto en cuanto a la determinación de su naturaleza como en cuanto a analizar los múltiples fenómenos en los que, de una manera u otra, aquélla estaba implicada. Así, ya muy entrado el siglo XIX, el físico inglés G. C. Stoney, para intentar explicar los fenómenos electrolíticos, propuso primero, en 1874, que la electricidad sería también granular y después, ya en 1891, él mismo dio el nombre de electrón a esos «granos» que constituirían la carga mínima o carga elemental de electricidad.

Fenómenos Eléctricos Asociados a los Gases

Se empezaron a estudiar los fenómenos eléctricos asociados a los gases. Uno de ellos fue el estudio de su conductividad eléctrica. El físico inglés J. J. Thomson (1856-1940), trabajando con gases a muy bajas presiones, o gases enrarecidos, a los que comunicaba una corriente eléctrica de alto voltaje, detectó un hecho experimental que resultó trascendental en el estudio de la naturaleza de la materia. Se sabía que los gases se escindían en una corriente de partículas de masa pequeñísima y de carga negativa, que eran siempre iguales, cualquiera que fuese el gas empleado, y en una corriente de partículas de masa ya considerable y prácticamente igual a la de los átomos del gas de partida, que tenían carga positiva. La primera corriente eran los rayos catódicos (constituidos por electrones) y la segunda, los rayos positivos o rayos canales (que ya habían sido descubiertos por el físico alemán E. Goldstein, en 1886). Estudiando los rayos catódicos, Thomson consiguió determinar la relación carga/masa del electrón en 1897. Gracias a este descubrimiento, W. Conrad Röntgen (1845-1923, físico alemán, Premio Nobel de Física en 1901) llegó a otro descubrimiento: los rayos X, en 1895, obtenidos al bombardear con los rayos catódicos diversas sustancias y que aparecían en la pared opuesta al cátodo.

Röntgen intentó por muy diversos métodos dilucidar la naturaleza de esas radiaciones y no lo consiguió, por lo que les dio el nombre de rayos X. Hoy en día, no obstante, se conoce que son de naturaleza ondulatoria. El descubrimiento de estos rayos X permitió a Moseley, como ya hemos visto, evidenciar experimentalmente en 1913 el ordenamiento de los elementos en la tabla periódica.

Descubrimiento del Protón y Aislamiento de Isótopos

Volviendo a Thomson, el estudio de los rayos canales o positivos propició otros dos importantes logros: el descubrimiento del protón y el aislamiento de los isótopos. Por el conjunto de sus trabajos, Thomson obtuvo el Premio Nobel de Física del año 1906. También llegó con estos rayos a determinar la masa atómica de muchos elementos. El método de Thomson fue revisado y mejorado por F. W. Aston, químico inglés que en 1919 ideó el espectrógrafo de masas, lo cual permitió una determinación mucho más precisa de las masas atómicas, demostrando nuevamente la colaboración entre la tecnología y la ciencia.

Descubrimiento del Neutrón

Con todo lo anterior, se conocían dos de los integrantes de los átomos, el protón y el electrón. En cuanto al tercer componente, el neutrón, no se descubrió hasta mucho después, por Chadwick en 1932, aunque su existencia se había intuido desde los tiempos de los experimentos de Thomson.

Descubrimiento de la Radiactividad

A finales del siglo XIX, se hizo un descubrimiento que tendría enormes repercusiones en muchos campos científicos: la radiactividad. En 1896, el físico y también ingeniero de minas francés Henri Becquerel (1852-1908, Premio Nobel de Física de 1903), trabajando con sales de uranio —concretamente con cristales de sulfato de uranilo—, descubrió de forma casual que emitían una radiación capaz de impresionar una placa fotográfica. Esta radiación se denominó inicialmente "rayos Becquerel". Se comprobó que este hecho también ocurría en otros compuestos de uranio, lo que llevó a suponer que era este elemento el responsable de esas radiaciones.

 Investigaciones de Marie y Pierre Curie

Estos experimentos despertaron un gran interés, llevando a otros científicos a investigar en esa dirección. Así, la científica polaca María Sklodowska (1867-1934), conocida como Marie Curie por su matrimonio con el físico francés Pierre Curie, comenzó siendo discípula de Becquerel. En 1898, Marie y Pierre Curie descubrieron que la emisión de radiaciones también ocurría en el torio. Fueron ellos quienes denominaron a estos fenómenos "radioactividad", deduciendo que se trataba de una propiedad atómica. Continuando con sus investigaciones, trabajaron con pechblenda (minerales de óxido de uranio) y descubrieron dos nuevos elementos: el polonio y el radio. Junto con Becquerel, recibieron el Premio Nobel de Física en 1903. Marie Curie también recibió el Premio Nobel de Química en 1911, siendo una de las pocas personas en recibir dos premios Nobel en ciencias.

Desarrollos en el Campo de la Radiactividad

A pesar de estos enormes éxitos científicos, Marie Curie fue rechazada para la Academia de Ciencias Francesa, simplemente por ser mujer. La lista de elementos radiactivos siguió aumentando (radón, actinio...), y se determinó la naturaleza compleja de las radiaciones radiactivas, que en realidad son de tres tipos: rayos α, rayos β y rayos γ.

 Contribuciones de Ernest Rutherford

Ilustres científicos comenzaron a investigar los fenómenos radiactivos, incluyendo a Ernest Rutherford (1871-1937), un famoso científico inglés nacido en Nueva Zelanda. Rutherford, considerado uno de los fundadores de la física y la química nuclear, propuso la existencia de un núcleo en los átomos, un volumen muy pequeño donde se concentraba prácticamente toda su masa y que tenía carga positiva. Junto al químico inglés Frederick Soddy (1877-1956, Premio Nobel de Química de 1921), Rutherford descubrió que el radón se transforma en helio en los fenómenos radiactivos. Este descubrimiento cumplía el viejo sueño de los alquimistas: la transmutación de elementos.

 Impacto en la Comprensión del Átomo y la Energía

El átomo, que ya no era considerado indivisible, también resultó ser mutable, puesto que puede transformarse en otros átomos distintos mediante reacciones nucleares. Cuando esto ocurre, se produce una pérdida de masa que se traduce en la liberación de una gran cantidad de energía en forma de radiaciones. Aquí es donde entra Einstein y su teoría de la relatividad (1905) para explicar la relación masa/energía.

 Este avance no significó que se debiera olvidar la ley de conservación de la masa de Lavoisier, con la que se inauguró la era de la química como ciencia. La energía implicada en las reacciones químicas ordinarias (no nucleares) es tan pequeña que la correspondiente cantidad de masa perdida es ínfima y no detectable.

 Descubrimiento de los Isótopos

Soddy también descubrió la existencia de isótopos, detectados por primera vez en algunos elementos radiactivos. Thomson y Aston ratificaron este descubrimiento, logrando aislar un isótopo del neón. Este trabajo demostró la complejidad y la riqueza del mundo atómico, estableciendo una base sólida para el desarrollo de la química moderna y la física nuclear.

La Mecánica Cuántica

El estudio de la estructura de la materia avanzó significativamente gracias a las contribuciones de la física y las matemáticas, entrando cada vez más en el dominio de los físicos. Uno de los pasos decisivos en este campo fue dado por el físico francés Louis de Broglie en 1924, quien introdujo los principios de la mecánica ondulatoria en el concepto y las propiedades del electrón. De Broglie planteó la hipótesis de que los electrones en movimiento, como cualquier otra partícula, llevarían asociada una onda cuya longitud de onda dependería de su velocidad y masa. Esto supuso dotar al electrón de una naturaleza dual, tanto como partícula como onda.

Principio de Incertidumbre y Función de Onda

En 1927, el físico alemán Werner Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, proponiendo la idea de que no se puede conocer con exactitud simultánea la posición y la velocidad de un electrón. En lugar de exactitud, se introduce la noción de probabilidad en el conocimiento de estas propiedades.

En 1926, el físico suizo Erwin Schrödinger desarrolló un complejo marco matemático que relacionaba la amplitud de las ondas de de Broglie con la densidad electrónica en cualquier punto del espacio atómico. A través de esta teoría, Schrödinger definió la función de onda de un electrón, que describe la probabilidad de encontrar al electrón en una determinada región del espacio. Esta función de onda se convirtió en el concepto de orbital atómico, sustituyendo la noción de órbita del modelo atómico de Bohr.

Desarrollo del Modelo Mecano-Cuántico

La mecánica cuántica, también conocida como mecánica ondulatoria, dio lugar a un nuevo modelo atómico, el modelo mecano-cuántico. Este modelo fue perfeccionado sucesivamente por importantes físicos como Paul Dirac, Max Born, Wolfgang Pauli, Albert Einstein, Friedrich Hund, James Franck, y Linus Pauling, entre otros.

Este nuevo modelo proporcionó una comprensión más precisa y detallada de la estructura y comportamiento de los átomos, explicando fenómenos que no podían ser abordados por la física clásica. La mecánica cuántica reveló que las partículas subatómicas no seguían trayectorias deterministas como objetos macroscópicos, sino que su comportamiento estaba regido por principios probabilísticos.

Impacto en la Ciencia Moderna

El desarrollo de la mecánica cuántica revolucionó la física y la química, proporcionando una base teórica para la comprensión de una amplia variedad de fenómenos naturales y tecnológicos. Esta teoría no solo explicó la estructura electrónica de los átomos y moléculas, sino que también permitió el desarrollo de nuevas tecnologías como la electrónica, la computación cuántica y la nanotecnología. La mecánica cuántica sigue siendo un área activa de investigación, y sus principios fundamentales continúan influyendo en diversos campos científicos y tecnológicos. La comprensión de la naturaleza dual de las partículas y la introducción de conceptos probabilísticos en la física han cambiado para siempre.

 Enlaces Químicos

Comprender la naturaleza de la materia implica no solo entender la estructura del átomo aislado, sino también cómo se unen los átomos entre sí. Esto es crucial para entender las reacciones químicas, cómo ocurren y por qué algunas reacciones tienen lugar mientras que otras no. En esencia, se trata de desentrañar el problema de la afinidad química.

Teoría Dualista del Enlace y Valencia

El descubrimiento de la naturaleza eléctrica de la materia aportó una comprensión fundamental al concepto del enlace químico. En 1812, Jöns Jacob Berzelius fue el primero en sugerir que los átomos se combinaban debido a una atracción de tipo eléctrico, conocida como la teoría dualista del enlace. Aunque esta explicación funcionaba bien para los compuestos inorgánicos, no era aplicable a los compuestos orgánicos. A mediados del siglo XIX, Frankland y Kekulé introdujeron el concepto de valencia, que se refería a la capacidad de un átomo para formar un cierto número de enlaces.

Complejos y Teoría de la Coordinación

A finales del siglo XIX, Alfred Werner descubrió los compuestos de coordinación, donde los metales de transición se combinaban con moléculas neutras formando estructuras complejas. Werner propuso que estos compuestos se mantenían unidos mediante valencias residuales, lo que le valió el Premio Nobel de Química en 1913.

 Teoría Electrónica del Enlace

El descubrimiento del electrón por J.J. Thomson allanó el camino para la teoría electrónica del enlace químico. Richard Abegg sugirió en 1904 que muchos elementos podían tener valencias positiva y negativa cuya suma fuera ocho. Walther Kossel propuso en 1916 el modelo de enlace iónico, donde los compuestos iónicos se forman mediante la atracción electrostática entre iones de carga opuesta.

Teoría del Enlace Covalente

También en 1916, Gilbert N. Lewis propuso el modelo de enlace covalente, donde los átomos comparten pares de electrones para formar enlaces. Este modelo fue extendido por Irving Langmuir, quien también introdujo la idea del enlace covalente coordinado. Estos conceptos proporcionaron explicaciones a los complejos de Werner y a la variedad de compuestos químicos.

Avances de la Mecánica Cuántica

La aplicación de la mecánica cuántica al enlace químico fue un paso importante. Walter Heitler y Fritz London utilizaron la teoría cuántica para desarrollar el método del enlace de valencia en 1930, mientras que Linus Pauling popularizó esta teoría en su obra "La naturaleza del enlace químico". También se desarrolló el método de los orbitales moleculares por Robert S. Mulliken y Friedrich Hund, proporcionando una interpretación alternativa al enlace covalente.

Fuerzas Intermoleculares

Además de los enlaces químicos, se identificaron las fuerzas de van der Waals, que mantienen unidas a las moléculas en los estados sólido y líquido. Peter Debye estudió las interacciones entre dipolos permanentes o inducidos en 1920, y Fritz London demostró la existencia de fuerzas de dispersión en 1930.

A finales del siglo XIX y principios del XX, los conceptos del enlace químico y la estructura atómica se consolidaron. La colaboración entre físicos y químicos permitió esclarecer la naturaleza de la materia, unificando el conocimiento de ambas disciplinas. Además, la investigación en radioquímica no solo avanzó en la comprensión de la estructura atómica, sino que también abrió nuevas rutas para aplicaciones prácticas. Estos avances sentaron las bases de la química moderna, proporcionando una comprensión profunda de cómo y por qué se forman los enlaces químicos.