La Tabla Periódica

(Los Elementos y la Estructura Atómica)

 

Jorge Rafael Martínez Peniche

 

Capítulo 1. Las ideas, las experiencias y las leyes

capítulo1b

Elementos y Átomos

 

¿De qué están hechas las cosas que nos rodean?, ¿cuáles son los constituyentes básicos de los objetos de la naturaleza? La humanidad se ha hecho estas preguntas desde tiempos inmemoriales.

 

Dentro de nuestra tradición cultural occidental, tomamos a menudo como primeras respuestas a estas interrogantes las especulaciones de numerosos filósofos griegos anteriores a la era cristiana. A ellos debemos el significado que damos actualmente a la palabra elemento en el contexto de la Química.

 

Los orígenes de la palabra elemento son inciertos. Algunos autores sostienen que es probable que la palabra en español se base en la secuencia de las letras l, m y n del alfabeto latino[1]. En este sentido, el origen de la palabra sería similar al del dicho: "es tan sencillo como el ABC". Por tanto, los elementos serían las sustancias más simples, a partir de las cuales estarían formados todos los objetos de la naturaleza.

 

Diversos pensadores de la Grecia clásica razonaron sobre la naturaleza de estos elementos, ya sea proponiendo como candidatos a serlo a sustancias comunes conocidas, ya especulando sobre la existencia de sustancias no presentes en el mundo cotidiano y que poseían el carácter elemental.

 

En el primer caso, destacan Tales de Mileto (624-546 a.n.e.), quien proponía que todo el Universo es agua, que es el origen de todas las cosas; Anaxímenes de Mileto (588-524 a.n.e.) que sugería que todo es aire y Heráclito de Efeso (~540-~480 a.n.e.), creador de la dialéctica, quien sostenía que todo cambia, todo es fuego, elemento creador y destructor.

 

Tales_de_Mileto

Tales de Mileto

Anaximenes_de_Mileto

Anaxímenes de Mileto

Heráclito_de_Efeso

Heráclito de Efeso

 

En el segundo caso, podemos mencionar a Anaxágoras de Clazómene (500-428 a.n.e.), él postulaba que todo está formado por semillas - a las que Aristóteles de Estagira (384-322 a.n.e.) llamó homeomerías - y en ellas están contenidas todas las sustancias de la realidad; y a Anaximandro de Mileto (611-545 a.n.e.) quien dice que la apeirón (lo sin fronteras, lo infinito, lo indeterminado) es lo que sostiene y contiene todo y a la vez está contenido en todo.

 

 

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Anaxágoras de Clazómene

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Aristóteles de Estagira

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Anaximandro de Mileto

 

Empédocles de Acragas - hoy Agrigento, Sicilia - (~490-430 a.n.e.) creó el que quizá sea el sistema de elementos antiguo más conocido. Postulaba que las sustancias de la naturaleza estaban constituidas por cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego. Detrás de esta tesis se encuentra implícita la asociación entre el elemento en sí y sus propiedades (donde propiedad debe entenderse como una característica del elemento); es decir, el agua no sólo se escoge por su abundancia, sino por su cualidad de ser líquida.

 

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Empédocles de Acragas

Platon

Platón de Atenas

 

Algunos autores contemporáneos sugieren que se puede considerar a los elementos de Empédocles como representantes de los estados de agregación de la materia. Así, la tierra representa el estado sólido; el agua, el estado líquido; el aire, el estado gaseoso y el fuego, el plasma o, tal vez, la energía.

 

Los griegos prepararon el siguiente diagrama (Figura 1), que a veces se atribuye a Platón de Atenas (427-347 a.n.e), y que relaciona los elementos de Empédocles con algunas de sus propiedades:

 

figura1

empedocles2

 

Figura 1. Los elementos de Empédocles y sus propiedades.

 

Los elementos propuestos por los antiguos griegos no son sustancias que en nuestros días identifiquemos como tales; pero en la actualidad hablamos de los elementos con el mismo sentido original de la palabra: los elementos son aquellas sustancias simples que no pueden descomponerse en otras más simples.

 

En otra línea de razonamiento, hubo filósofos griegos, notablemente Leucipo de Mileto (siglo V a.n.e) y Demócrito de Abdera (~460-~370 a.n.e.), que dieron una respuesta alternativa a la pregunta ¿de qué están hechas las sustancias? sin pasar por el concepto de elemento.

 

leucipo

Leucipo de Mileto

democrito

Demócrito de Abdera

 

Sostenían, contra la opinión de Aristóteles, que la materia era discontinua, es decir, que la materia tiene un límite de división, que es inimaginable la idea de que un trozo de materia pueda ser subdividido infinitamente.

 

Demócrito propuso que se llegaría a un punto en que un pedazo suficientemente pequeño de materia ya no podría romperse en trozos más pequeños. A estos trozos que no podían dividirse les llamó átomos, de la raíz griega  (alfa, correspondiente a la a latina) que es un prefijo negativo y  (tomé) que significa cortar, por lo tanto átomo es lo que no se puede cortar, lo indivisible.

 

Demócrito imaginó que estos átomos eran las unidades estructurales a partir de las cuales estarían construidas todas las sustancias de la naturaleza. Imaginó además, que las diferentes sustancias estarían formadas por átomos de diferentes tipos.

 

Las tesis de Demócrito se olvidaron durante muchos años debido quizás a que se oponían al pensamiento de Aristóteles y la cultura occidental era esencialmente aristotélica. Una notable excepción de esto fue la aparición de un poema del filósofo romano Tito Lucrecio Caro (~98-55 a.n.e.), llamado De Rerum Natura (De la Naturaleza de las Cosas)[2] en el que se exponen las ideas de Demócrito.

 

De_Rerum_Natura

Tierra,%20Aire%20y%20Agua

 

Este poema, que es considerado como uno de los más grandes poemas pedagógicos jamás escritos, está compuesto por seis libros y se habla de las propiedades de los átomos (principios) en los dos primeros. A modo de ejemplo, se presentan enseguida unas líneas del poema en la versión de Rubén Bonifaz Nuño:

 

...

Mas porque empero la vera razón y, de las cosas, me obliga

la natura, atiende, mientras en pocos versos mostramos

qué sea eso que de cuerpo eterno y sólido consta,

lo que enseñamos que es de las cosas semilla y principios;

de donde, de las cosas, consta ahora toda la suma creada.

...

 

En el largo período que va desde tiempos de Lucrecio hasta principios del siglo XIX, no se realizaron aportaciones originales a las ideas que se tenían sobre la constitución de la materia; aunque algunos científicos, como René Descartes (1596-1650), Robert Boyle (1626-1691) e Isaac Newton (1642-1727), consagraron a este tema parte de sus trabajos.

 

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René Descartes

Robert_Boyle

Robert Boyle

newton

Isaac Newton

 

Hacia 1809, el químico inglés John Dalton (1766-1844) propuso la primera teoría atómica basada en evidencias experimentales (las llamadas Leyes de la Combinación, Leyes Ponderales o Leyes Estequiométricas) que puede resumirse en los siguientes puntos:

 

1) Toda la materia está formada por átomos.

2) Los átomos son indivisibles.

3) Los átomos de un elemento son idénticos en todas sus propiedades incluyendo el peso.

4) Diferentes elementos están hechos a partir de diferentes átomos.

5) Los compuestos están formados por átomos diferentes.

6) Los cambios químicos son cambios en las combinaciones de los átomos entre sí.

7) Los átomos se combinan en proporciones numéricas simples mediante ciertas reglas (Leyes de la Combinación).

 

Gracias a esta teoría se pudo tener por primera ocasión una diferencia formal clara entre elementos y compuestos: los elementos son sustancias formadas por átomos idénticos y los compuestos son sustancias formadas por átomos diferentes. En el esquema de Dalton, el parámetro para discernir si dos átomos son iguales o diferentes es su peso.

 

John_Dalton2

John Dalton

 

¿Qué se entiende por el peso de un átomo y por peso atómico?

 

Los pesos atómicos usados por Dalton son los pesos en gramos de un elemento que se combinan con un gramo del elemento Hidrógeno. Esta propiedad no es estrictamente el peso atómico, sino lo que ahora llamamos peso equivalente, aunque en ocasiones coincide con el peso atómico. En este punto debe hacerse notar que el peso atómico no se refiere al peso de un átomo, es decir, un gramo de Hidrógeno no contiene un solo átomo, contiene una mole de átomos o sea 6.023 x 1023 átomos (602 300 000 000 000 000 000 000, es decir, seiscientos dos mil trescientos trillones de átomos). Este número se conoce como número de Avogadro, en honor del científico italiano Amadeo Avogadro (1776-1855), quien a pesar de que jamás conoció su valor, lo usaba implícitamente en una de sus teorías.

 

Amadeo_Avogadro

Amadeo Avogadro

 

Por lo tanto, un átomo de Hidrógeno pesaría 1¸6.023 x 1023, alrededor de 10-24 gramos (0.00000000000000000000000166 gramos). A esta cantidad se le llama unidad de masa atómica (uma), lo que nos permite utilizar el mismo valor numérico para designar el peso de una mole de átomos en gramos y el de un sólo átomo en umas. Así, una mole de átomos de Hidrógeno pesa 1 g, en tanto que un átomo de Hidrógeno pesa 1 uma.

 

Si los átomos de Hidrógeno se combinaran con los de otro elemento en una relación 1:1, tendríamos para este elemento, al combinarse con un gramo de Hidrógeno, también una mole de átomos y por lo tanto el peso que se combinara con una mole de Hidrógeno sería el peso atómico de dicho elemento. Como los átomos pesan diferente, el peso atómico sería distinto. El problema es que no todos los átomos se combinan en relaciones 1:1, aunque estas relaciones siempre son en números enteros v.g. 2:1, 3:1; etc.

 

Hacia 1819, los físicos franceses Pierre - Louis Dulong (1785-1838) y Alexis Thérèse Petit (1791-1820) encontraron que el producto del peso atómico de una sustancia, multiplicado por la cantidad de calor que hay que agregarle a una cierta cantidad de ella para que aumente en un grado su temperatura, es una constante, que denominaron calor atómico, y que tiene un valor aproximado de 6.4 (el valor aceptado actualmente es de 6); lo anterior introdujo algunas correcciones a los pesos atómicos dados por Dalton.

 

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Pierre - Louis Dulong

 

El problema de la determinación de los pesos atómicos quedó resuelto en 1858 por el químico italiano Stanislao Cannizzaro (1826-1910) quien reafirmó el concepto de molécula propuesto anteriormente por Avogadro. En un sentido amplio, las moléculas son agregados de átomos, los compuestos están formados por moléculas y por lo tanto, el peso molecular de un compuesto será el peso de una mole de moléculas.

 

Cannizzaro

Stanislao Cannizzaro

 

Debe aclararse que puede haber también moléculas de elementos, en realidad, algunos elementos en su estado natural no se presentan como átomos aislados, sino como moléculas, en este caso: agregados de átomos idénticos. Tal es el caso del Hidrógeno que en estado natural es una molécula diatómica. Otros ejemplos de elementos con moléculas diatómicas en estado natural son el Oxígeno y el Nitrógeno.

 

Cannizzaro encontró que el peso molecular (M) de un compuesto gaseoso es aproximadamente el doble de su densidad relativa respecto al Hidrógeno, y que el peso atómico de un elemento es el peso más pequeño del mismo contenido en un peso molecular de cualquiera de sus compuestos.

 

Expliquémonos:

 

La densidad de una sustancia indica que cantidad de ella ocupa un volumen dado. Debido a que el volumen cambia al variar la temperatura o la presión, siempre que se hable de densidad deben especificarse las condiciones de temperatura y presión a las que fue medida. Comúnmente se utilizan como referencias la presión atmosférica y una temperatura ambiente (20 o 25 °C).

 

Matemáticamente la densidad (r) es el cociente entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa y suelen expresarse en unidades de g/cm . Así, la densidad del agua líquida en condiciones ambientales es prácticamente 1 g/cm , es decir, un gramo de agua ocupa un volumen de un centímetro cúbico. La densidad del oro es 19.3 g/cm , entonces, un centímetro cúbico de oro pesa 19.3 g. Desde luego, los materiales menos densos son los gases y los más densos los sólidos.

 

La densidad relativa es un cociente entre densidades, que por lo tanto es adimensional, es decir, no tiene unidades (se cancelan al dividir); con lo anterior, la densidad relativa (rR) de una sustancia respecto al Hidrógeno sería:

 

 

Donde  representa la densidad del Hidrógeno.

 

Según Cannizzaro:

 

 

El procedimiento para obtener el peso atómico sería el siguiente: primero se determina el peso molecular para varios compuestos que contengan al mismo elemento; por ejemplo, si se desea obtener el peso atómico para el Carbono se puede medir la densidad para distintas sustancias que contengan Carbono que podrían ser el Metano, el Etano y el Acetileno, y dividir cada una de estas entre la densidad del Hidrógeno. Al multiplicar este resultado por 2 se obtienen los pesos moleculares de cada uno de los compuestos.

 

En segundo lugar, se efectúa un análisis químico de los compuestos y se obtiene la composición porcentual del Carbono (la sustancia de interés en nuestro ejemplo), con lo que se puede obtener el peso del elemento en el compuesto.

 

Por último, se obtiene el máximo común divisor para estos pesos y este resultado es el peso atómico del elemento. La razón de obtener el máximo común divisor es que en la molécula de cada compuesto puede haber un número diferente de átomos del elemento de interés.

 

En la tabla 1 se presenta el ejemplo citado.

 

Compuesto

Fórmula

Peso Molecular

Porcentaje de Carbono

Peso de Carbono

 

Metano

CH4

8

16

75

12

 

Etano

C2H6

15

30

80

24

 

Acetileno

C2H2

13

26

92.3

24

 

 

 

 

 

 

MCD: 12*

 

 

*MCD (peso atómico del Carbono) = 12

 

Tabla 1. Obtención del peso atómico del Carbono.

Lecturas complementarias

1.      Elemento

 

 

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[1] Asimov, I; La Búsqueda de los Elementos, Ed. Plaza & Janés, México, 1987.

[2] Existe  una edición bilingüe latín-español, en versión de Rubén Bonifaz Nuño: Lucrecio,  De  la  Natura de las Cosas; Biblioteca Scriptorum Graecorum et Romanorum Mexicana, UNAM, México, 1984.