TEMA 3.- CAMBIOS EN LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA

1. 2. 3.

CAMBIOS TÉRMICOS CAMBIOS QUÍMICOS OTROS CONCEPTOS QUÍMICOS IMPORTANTES 4. ECUACIONES QUÍMICAS 5. FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA Mª Carmen Magallón

LECTURA PAG. 59 ƒ

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Por fin se inició la época de los nuevos combustibles, con sus dos estrellas: el biodiésel y el bioalcohol. Son, en realidad, viejos conocidos de los químicos, pero nunca se había pensado en utilizarlos como combustibles para vehículos. El biodiésel se obtiene a partir de los aceites, incluso de las grasas, y del metanol; se usa mezclado con el gasóleo. El bioalcohol, que no es otra cosa que alcohol etílico que se utiliza mezclado con gasolina, se obtiene por fermentación a partir de azúcares, como cualquier vino, o de los almidones, como cualquier cerveza. Me gustaría saber quién le rebautizó con el “nombrecito” de bioalcohol y por qué extrañas razones políticas o sociales.

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El caso es que la utilización de productos agrícolas para el transporte producirá una serie de buenos y malos efectos, como cualquier cambo de las costumbres sociales. Los buenos son buenísimos: ¡ No contaminan! – el CO2 que producen al quemarlo el mismo que las plantas tomaron antes del aire - y ya solo por esto vale la pena el cambio; pero además revitalizan los campos . Actualmente, la Unión Europea paga a muchos campesinos para que no cultiven sus tierras. A partir de ahora, tendrán algo que cultivar que será siempre rentable. Los malos también son temibles. La utilización de los azúcares, los almidones, los aceites y las grasas como combustibles, que se pagarán a cualquier precio, encarecerá la “cesta de la compra” lo que dañará las economías de los más débiles.

Actividades ƒ Resume las ideas principales en 4 ó 5 líneas. ƒ ¿De qué productos agrícolas se obtiene el biodiésel y el bioalcohol ?. ƒ ¿Cuáles son las ventajas de los nuevos combustibles?. ¿Y los inconvenientes?. ƒ Consulta: Averigua cuales son las plantas que se están cultivando para obtener los aceites necesarios para el biodiésel, y las que se utilizan para el bioalcohol ?.

3.1.-CAMBIOS TÉRMICOS

3.1.1.- ¿CÓMO ES LA MATERIA? - La materia está formada por partículas separadas por el vacío. - Las partículas estables más simples que la forman son los átomos. Pero los átomos se asocian formando nuevas partículas, más compleja, como las moléculas y los cristales. - Las moléculas, a su vez, pueden unirse unas a otras y formar líquidos y sólidos, o bien permanecer independientes y formar gases.

3.1.2.- CAMBIOS EN LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA ƒ ƒ ƒ ƒƒ

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CAMBIOS TÉRMICOS EN LA MATERIA: - Las agitaciones intermoleculares. Las moléculas se atraen entre sí con fuerza electromagnética de corto alcance, llamadas fuerzas de cohesión, de modo que tienden a formar estados condensados, como los líquidos y los sólidos. - La agitación térmica. Todas las partículas vibran o se desplazan con velocidades altísimas. Esta agitación térmica es lo que define la temperatura de las sustancias. A mayor agitación de sus partículas, mayor temperatura de la sustancia. estados estados Los Los de de agitaci agitacióónn.- Sólidos: a bajas temperaturas, las fuerzas eléctricas de cohesión predominan y las partículas se unen y forman aglomerados sólidos. Si la solidificación se hace con la lentitud suficiente, estas se ordenan constituyendo cristales. Si, por el contrario, el enfriamiento es muy rápido, las partículas se aglomeran sin orden y forman sólidos amorfos, como el vidrio de las ventanas, las aleaciones o los plásticos. Líquido: en los líquidos encontramos una estructura muy caótica de la materia, donde coexisten pequeños gránulos que conservan aún la forma cristalina con partículas liberadas que se desplazan y chocan unas con otras. Cuanto más alta es la temperatura, menores son los gránulos y mayor el número de partículas totalmente desordenadas. Gaseoso : la materia en estado gaseoso se encuentra en un desorden absoluto. Las partículas muy lejanas unas de otras para que actúen las fuerzas de cohesión, se mueven a altísimas velocidades con m.r.u. hasta que encuentran algo con que chocar. Por eso, los gases se expanden y ocupan rápidamente la totalidad de la vasija que los contiene. Es el estado con mayor contenido energético. Los Los cambios cambios de de estado. estado.-- Fusión : si a un sólido le suministramos suficiente energía térmica, la vibración de sus partículas aumenta, y la estructura ordenada se derrumba. Mientras dura la fusión, toda la energía suministrada se invierte en la rotura del sólido, y la temperatura se mantiene constante. Vaporización: si seguimos suministrando energía térmica, la agitación es tan fuerte que las partículas rompen sus fuerzas atractivas y escapan del líquido. Mientras dura la ebullición la temperatura no varia. El paso al estado gaseoso también puede darse en la superficie, a cualquier temperatura; hablamos de la evaporación

3.2.- CAMBIOS QUÍMICOS

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Excepto los elementos inertes, los átomos tienden a unirse mediante intensas fuerzas electromagnéticas para formar moléculas o cristales, originando sustancias de aspecto y propiedades completamente diferentes. Son los cambios químicos, en lo que se intercambian grandes cantidades de energía. SUSTANCIAS ATÓMICAS O GASES INERTES.- El helio (He), el neón (Ne), el argón (Ar), el kriptón (Kr), etc., están formados por átomos libres. Estos elementos no muestran fuerzas atractivas entre sus átomos, ni con otros distintos; no dan lugar a cambios químicos. SUSTANCIAS MOLECULARES.- Están formadas por moléculas, que son partículas con un número fijo de átomos. Ejemplo: el nitrógeno del aire (dinitrógeno) está formado por moléculas de dos átomos de nitrógeno, fuertemente enlazados; N2, y dióxido de carbono, por dos átomos de oxígeno y uno de carbono; CO2. Los químicos llaman a estas uniones, enlace covalente. SUSTANCIAS CRISTALINAS.- Están formadas por, cristales, partículas constituidas por átomos (iguales o distintos) perfectamente ordenados en estructuras geométricas con un número indeterminado de ellos. Ejemplo: cuando unimos los átomo de cloro (Cl) y sodio (Na) forman la sal, se produce un cambio químico, al que se denomina enlace iónico. Del mismo modo, cuando se unen los átomos del aluminio (Al) entre sí para formar un cristal metálico, el cambio químico es un enlace metálico. FUERZA DE ENLACE QUÍMICO.- Las fuerzas con que se unen los átomos de oxígeno e hidrógeno para formar el agua son fuerzas de enlace químico. La consecuencia de su actuación es la formación de una molécula nueva, una sustancia nueva: el agua, con propiedades diferentes de las de los átomos de oxígeno e hidrógeno, y el desprendimiento de una enorme cantidad de energía. Las fuerzas e enlace producen cambio químicos 2H2 + O2 2H2O + energía. FUERZAS DE COHESIÓN INTERMOLECULARES.- Las moléculas de agua se atraen entre sí mediante débiles fuerzas de cohesión, de tal modo que, a la presión de 1atm, si el agua está a una temperatura superior a 100 ºC, se mantendrá en estado de vapor; si está entre 0 y 100 ºC, formará un líquido, y por debajo de 0 ºC, se ordenarán las moléculas y formarán cristales de hielo, pero sin modificar, en ningún caso, sus propiedades químicas. Las fuerzas de cohesión producen cambios físicos

3.3.- OTROS CONCEPTOS QUÍMICOS IMPORTANTES

3.3.1.- ¿CÓMO PUEDEN SER LAS SUSTANCIAS? ƒ En química, una sustancia pura, o sustancia, es aquella que está formada por partículas iguales; pueden ser elementos y compuestos: ƒ - Cuando sometemos una sustancia a una reacción de descomposición química, solo obtenemos átomos de una misma clase, se trata de una sustancia elemento. Ejemplo el oxígeno, de fórmula O2; al descomponerlo, obtenemos dos átomo de oxígeno, O. ƒ - Si al hacerlo obtenemos átomo de diferentes clases, se trata de una sustancia compuesto. ƒ Ambos tipos de sustancia, elementos y compuestos, se pueden presentar en la naturaleza de diferentes formas

3.3.2.- LOS ELEMENTOS ƒ ƒ

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ELEMENTOS.- Son aquellas sustancias que están formadas por átomos de la misma clase. En la naturaleza se pueden presentar de distintas formas. ELEMENTOS FORMADOS POR ÁTOMOS AISLADOS.- Estos átomos se encuentran muy separados unos de otros; es el caso de los gases inertes, como el helio (He), el neón (Ne), el argón (Ar), que podemos encontrar en el aire. ELEMENTOS FORMADOS POR MOLÉCULAS.- Están formados por moléculas constituidas por dos o tres átomos iguales; por ejemplo, el oxígeno (O2), el ozono (O3), el hidrógeno (H2), etc. ELEMENTOS QUE FORMAN CRISTALES.- Los cristales son grandes estructuras ordenadas con todos sus átomos iguales. Así se encuentran metales como el hierro (Fe), la plata (Ag), o el estaño (Sn), y también algunas sustancias no metálicas, como el azufre (S) o el carbono (C). Este último puede presentarse (dependiendo de la ordenación de sus átomos) como un sólido negro que mancha el papel, el grafito, o como un sólido muy duro y transparente, el diamante.

Elementos en la corteza terrestre La corteza terrestre está compuesta en su mayor parte por oxígeno y silicio. Estos elementos químicos, junto con el aluminio, el hierro, el calcio, el sodio, el potasio y el magnesio, constituyen el 98,5% de la corteza terrestre.

Elementos en el cuerpo humano Los cuatro elementos químicos más abundantes en el cuerpo humano son el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno, que constituyen el 96% de la masa corporal. Además del calcio (2%), elementos como el fósforo, el potasio, el azufre y el sodio, entre otros, forman también parte del cuerpo humano, aunque en un porcentaje mucho menor.

Átomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. A lo largo de los siglos, el tamaño y la naturaleza del átomo sólo fueron objeto de especulaciones, por lo que su conocimiento avanzó muy lentamente. Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII , los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos se pueden descomponer en sus constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.

3.3.3.- LOS COMPUESTOS ƒ ƒ ƒ

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Son sustancias que están formadas por átomos de diferentes clases. En la naturaleza se pueden presentar de dos formas . COMPUESTOS MOLECULARES.- Están formados por moléculas; es el caso del agua, (H2O), o el ácido sulfúrico, H2SO4. COMPUESTOS CRISTALINOS.- Es el caso de la sal común, ClNa, formada por cristales que contienen el mismo número de átomos de cloro que de sodio, o el sulfato cúprico, CuSO4, en el que por cada átomo de cobre hay otro de azufre y cuatro de oxígeno. DIVERSIDAD DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS.- En la naturaleza podemos encontrar gran cantidad de compuestos, podemos dividirlos en dos grandes grupos, atendiendo a ciertas propiedades comunes: - Los compuestos orgánicos. Son los que siempre tienen su molécula átomos de carbono, combinados, fundamentalmente, con hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; son las sustancias que producen los seres vivos. La mayor parte de ellos están formados por moléculas muy grandes, con muchos átomo, y muy complicadas. Para formar estas moléculas, hace falta mucha energía. - Los compuestos inorgánicos. Son los que forman los minerales y las rocas, algunos gases del aire como el CO2, y el agua (H2O). Son los que constituyen la Luna y los demás planetas. Sus moléculas son sencillas, formadas por pocos átomos, y en su mayoría son compuestos cristalinos. Por lo general, cuando se forman los compuestos inorgánicos se desprende mucha energía en la reacción, por lo que son muy estables.

Compuesto químico, sustancia formada por dos o más elementos que se combinan en proporción invariable. El agua, formada por hidrógeno y oxígeno, y la sal, formada por cloro y sodio, son ejemplos de compuestos químicos comunes. Tanto los elementos como los compuestos son sustancias puras.

La aplicación de la teoría cuántica sobre la estructura atómica a la ley periódica llevó a reformar el sistema periódico en la llamada forma larga, en la que prima su interpretación electrónica. En el sistema periódico largo, cada periodo corresponde a la formación de una nueva capa de electrones. Los elementos alineados tienen estructuras electrónicas estrictamente análogas. El principio y el final de un periodo largo representan la adición de electrones en una capa de valencia; en la parte central aumenta el número de electrones de una capa subyacente. Grupos A las columnas verticales de la Tabla Periódica se las conoce como grupos. Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia, y por ello, tienen características o propiedades similares entre si. Por ejemplo los elementos en el grupo IA tienen valencia de 1 (un electrón su último nivel de energía) y todos tienden a perder ese electrón al enlazarse como iones positivos de +1. Los elementos en el último grupo de la derecha son los Gases Nobles, los cuales tienen su último nivel de energía lleno (regla del octeto) y por ello son todos extremadamente no-reactivos. Los grupos de la Tabla Periódica, numerados de izquierda a derecha son: Grupo 1 (IA): los metales alcalinos Grupo 2 (IIA): los metales alcalinotérreos Grupo 3 al Grupo 12: los metales de transición , metales nobles y metales mansos Grupo 13 (IIIA): Térreos Grupo 14 (IVA): carbonoideos Grupo 15 (VA): nitrogenoideos Grupo 16 (VIA): los calcógenos o anfígenos Grupo 17 (VIIA): los halógenos Grupo 18 (VIIIA): los gases nobles

eno

+1

+2,4,6

-1

-2

Valencias Positivas Valencias Negativas

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Litio

Berilio

Boro

Carbo no

Nitróg eno

Oxige no

Flúor

Neón

+3

+2,4

+1,2,3, 4,5

-3

-4

-3

+1

+2

-2

-1

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

Sodio

Magne sio

Alumin io

Silicio

Fósfor o

Azufre

Cloro

Argón

+1

+2

+3

+4

+1,3,5

+2,4,6

+1,3,5 ,7

-4

-3

-2

-1

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Potasi o

Calcio

Escan dio

Titanio

Vanad io

Cromo

Manga neso

Hierro

Cobalt o

Níquel

Cobre

Cinc

Galio

Germa nio

Arséni co

Seleni o

Bromo

Kriptón

+1

+2

+3

+2,3,4

+2,3,4, 5

+2,3,4 ,5,6

+2,3,4, 5,6,7

+2,3

+2,3

+2,3

+1,2

+2,4

+3,5

+2,4,6

+1,3,5 ,7

-3

-2

-1

+2

+3

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Rubidi o

Estron cio

Itrio

Circoni o

Niobio

Molibd eno

Tecne cio

Ruteni o

Rodio

Paladi o

Plata

Cadmi o

Indio

Estañ o

Antim onio

Teluro

Yodo

Xenón

+1

+2

+2,3,4

+2,3,4, 5

+2,3,4 ,5,6

+4,5,6, 7

2,3,4,6 ,8

+2,3,4, 6

+2,4

+2,4

+3,5

+2,4,6

+1,3,5 ,7

-3

-2

-1

+3

+1

+2

+1,3

Cs

Ba

La *

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Cesio

Bario

Lantan o

Hafnio

Tantal o

Wolfra mio

Renio

Osmio

Iridio

Platino

Oro

Mercur io

Talio

Plomo

Bismut o

Poloni o

Astato

Radón

+3

+2,3,4

+2,3,4, 5

+2,3,4 ,5,6

+4,5,6, 7

2,3,4,6 ,8

+2,3,4, 6

+2,4,5 ,6

+2,4

+3,5

+2,4

+1,3,5 ,7

+1

+2

+1,3

+1,2

+1,3

-3

Fr

Ra

Ac **

-1

Sistema periódico o Tabla periódica, esquema de todos los elementos químicos dispuestos por orden de número atómico creciente y en una forma que refleja la estructura de los elementos. Los elementos están ordenados en siete hileras horizontales, llamadas periodos, y en 18 columnas verticales, llamadas grupos. El primer periodo, que contiene dos elementos, el hidrógeno y el helio, y los dos periodos siguientes, cada uno con ocho elementos, se llaman periodos cortos. Los periodos restantes, llamados periodos largos, contienen 18 elementos en el caso de los periodos 4 y 5, o 32 elementos en el del periodo 6. El periodo largo 7 incluye el grupo de los actínidos, que ha sido completado sintetizando núcleos radiactivos más allá del elemento 92, el uranio. Los grupos o columnas verticales de la tabla periódica fueron clasificados tradicionalmente de izquierda a derecha utilizando números romanos seguidos de las letras “A” o “B”, en donde la “B” se refiere a los elementos de transición. En la actualidad ha ganado popularidad otro sistema de clasificación, que ha sido adoptado por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, siglas en inglés). Este nuevo sistema enumera los grupos consecutivamente del 1 al 18 a través de la tabla periódica.

Esta ley es la base de la tabla periódica y establece que las propiedades físicas y químicas de los elementos tienden a repetirse de forma sistemática conforme aumenta el número atómico. Todos los elementos de un grupo presentan una gran semejanza y, por lo general, difieren de los elementos de los demás grupos. Por ejemplo, los elementos del grupo 1 (o IA), a excepción del hidrógeno, son metales con valencia química +1; mientras que los del grupo 17 (o VIIA), exceptuando el astato, son no metales, que normalmente forman compuestos con valencia -1. Como resultado de los descubrimientos que establecieron en firme la teoría atómica de la materia en el primer cuarto del siglo XIX, los científicos pudieron determinar las masas atómicas relativas de los elementos conocidos hasta entonces. El desarrollo de la electroquímica durante ese periodo por parte de los químicos británicos Humphry Davy y Michael Faraday condujo al descubrimiento de nuevos elementos. En 1829 se habían descubierto los elementos suficientes para que el químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner pudiera observar que había ciertos elementos que tenían propiedades muy similares y que se presentaban en triadas: cloro, bromo y yodo; calcio, estroncio y bario; azufre, selenio y teluro, y cobalto, manganeso y hierro. Sin embargo, debido al número limitado de elementos conocidos y a la confusión existente en cuanto a la distinción entre masas atómicas y masas moleculares, los químicos no captaron el significado de las triadas de Döbereiner. El desarrollo del espectroscopio en 1859 por los físicos alemanes Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff, hizo posible el descubrimiento de nuevos elementos. En 1860, en el primer congreso químico internacional celebrado en el mundo, el químico italiano Stanislao Cannizzaro puso de manifiesto el hecho de que algunos elementos (por ejemplo el oxígeno) poseen moléculas que contienen dos átomos. Esta aclaración permitió que los químicos consiguieran una “lista” consistente de los elementos. Estos avances dieron un nuevo ímpetu al intento de descubrir las interrelaciones entre las propiedades de los elementos. En 1864, el químico británico John A. R. Newlands clasificó los elementos por orden de masas atómicas crecientes y observó que después de cada siete elementos, en el octavo, se repetían las propiedades del primero. Por analogía con la escala musical, a esta repetición periódica la llamó ley de las octavas. El descubrimiento de Newlands no impresionó a sus contemporáneos, probablemente porque la periodicidad observada sólo se limitaba a un pequeño número de los elementos conocidos.

La ley química que afirma que las propiedades de todos los elementos son funciones periódicas de sus masas atómicas fue desarrollada independientemente por dos químicos: en 1869 por el ruso Dmitri I. Mendeléiev y en 1870 por el alemán Julius Lothar Meyer. La clave del éxito de sus esfuerzos fue comprender que los intentos anteriores habían fallado porque todavía quedaba un cierto número de elementos por descubrir, y había que dejar los huecos para esos elementos en la tabla. Por ejemplo, aunque no existía ningún elemento conocido hasta entonces con una masa atómica entre la del calcio y la del titanio, Mendeléiev le dejó un sitio vacante en su sistema periódico. Este lugar fue asignado más tarde al elemento escandio, descubierto en 1879, que tiene unas propiedades que justifican su posición en esa secuencia. El descubrimiento del escandio sólo fue parte de una serie de verificaciones de las predicciones basadas en la ley periódica, y la validación del sistema periódico aceleró el desarrollo de la química inorgánica. El sistema periódico ha experimentado dos avances principales desde su formulación original por parte de Mendeléiev y Meyer. La primera revisión extendió el sistema para incluir toda una nueva familia de elementos. Este grupo comprendía los tres primeros elementos de los gases nobles o inertes, argón, helio y neón, descubiertos en la atmósfera entre 1894 y 1898 por el matemático y físico británico John William Strutt Rayleigh y el químico británico William Ramsay. El segundo avance fue la interpretación de la causa de la periodicidad de los elementos en términos de la teoría de Bohr (1913) sobre la estructura electrónica del átomo.

En la clasificación periódica, los gases nobles, que no son reactivos en la mayoría de los casos (valencia = 0), están interpuestos entre un grupo de metales altamente reactivos que forman compuestos con valencia +1 y un grupo de no metales también muy reactivos que forman compuestos con valencia -1. Este fenómeno condujo a la teoría de que la periodicidad de las propiedades resulta de la disposición de los electrones en capas alrededor del núcleo atómico. Según la misma teoría, los gases nobles son por lo general inertes porque sus capas electrónicas están completas; por lo tanto, otros elementos deben tener algunas capas que están sólo parcialmente ocupadas, y sus reactividades químicas están relacionadas con los electrones de esas capas incompletas. Por ejemplo, todos los elementos que ocupan una posición en el sistema inmediatamente anterior a un gas inerte, tienen un electrón menos del número necesario para completar las capas y presentan una valencia -1 y tienden a ganar un electrón en las reacciones. Los elementos que siguen a los gases inertes en la tabla tienen un electrón en la última capa, y pueden perderlo en las reacciones, presentando por tanto una valencia +1. Un análisis del sistema periódico, basado en esta teoría, indica que la primera capa electrónica puede contener un máximo de 2 electrones, la segunda un máximo de 8, la tercera de 18, y así sucesivamente. El número total de elementos de cualquier periodo corresponde al número de electrones necesarios para conseguir una configuración estable. La diferencia entre los subgrupos A y B de un grupo dado también se puede explicar en base a la teoría de la capa de electrones. Ambos subgrupos son igualmente incompletos en la capa exterior, pero difieren entre ellos en las estructuras de las capas subyacentes. Este modelo del átomo proporciona una buena explicación de los enlaces químicos.

El desarrollo de la teoría cuántica y su aplicación a la estructura atómica, enunciada por el físico danés Niels Bohr y otros científicos, ha aportado una explicación fácil a la mayoría de las características detalladas del sistema periódico. Cada electrón se caracteriza por cuatro números cuánticos que designan su movimiento orbital en el espacio. Por medio de las reglas de selección que gobiernan esos números cuánticos, y del principio de exclusión de Wolfgang Pauli, que establece que dos electrones del mismo átomo no pueden tener los mismos números cuánticos, los físicos pueden determinar teóricamente el número máximo de electrones necesario para completar cada capa, confirmando las conclusiones que se infieren del sistema periódico. Desarrollos posteriores de la teoría cuántica revelaron por qué algunos elementos sólo tienen una capa incompleta (en concreto la capa exterior, o de valencia), mientras que otros también tienen incompletas las capas subyacentes. En esta última categoría se encuentra el grupo de elementos conocido como lantánidos, que son tan similares en sus propiedades que Mendeléiev llegó a asignarle a los 14 elementos un único lugar en su tabla. La aplicación de la teoría cuántica sobre la estructura atómica a la ley periódica llevó a reformar el sistema periódico en la llamada forma larga, en la que prima su interpretación electrónica. En el sistema periódico largo, cada periodo corresponde a la formación de una nueva capa de electrones. Los elementos alineados tienen estructuras electrónicas estrictamente análogas. El principio y el final de un periodo largo representan la adición de electrones en una capa de valencia; en la parte central aumenta el número de electrones de una capa subyacente. Véase también Metales alcalinos; Metales alcalinotérreos; Halógenos.

ƒ Metales alcalinos, serie de seis elementos químicos en el grupo 1 (o IA) del sistema periódico. Comparados con otros metales son blandos, tienen puntos de fusión bajos, y son tan reactivos que nunca se encuentran en la naturaleza si no es combinados con otros elementos. Son poderosos agentes reductores, o sea, pierden fácilmente un electrón, y reaccionan violentamente con agua para formar hidrógeno gas e hidróxidos del metal, que son bases fuertes. Los metales alcalinos son, por orden de número atómico creciente: litio, sodio, potasio, rubidio, cesio y francio. Del francio existen solamente isótopos radiactivos.

Metales alcalinotérreos, serie de seis elementos químicos que se encuentran en el grupo 2 (o IIA) del sistema periódico. Son poderosos agentes reductores, es decir, se desprenden fácilmente de los electrones. Son menos reactivos que los metales alcalinos, pero lo suficiente como para no existir libres en la naturaleza. Aunque son bastante frágiles, los metales alcalinotérreos son maleables y dúctiles. Conducen bien la electricidad y cuando se calientan arden fácilmente en el aire. Los metales alcalinotérreos son, por orden de número atómico creciente: berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio. Sus óxidos se llaman tierras alcalinas. .

Halógenos (del griego hals, 'sal'; genes, 'nacido'), en química, cinco elementos químicamente activos, estrechamente relacionados —flúor, cloro, bromo, yodo y astato—, que forman el grupo 17 (o VIIA) del sistema periódico. El nombre halógeno, o formador de sal, se refiere a la propiedad de cada uno de los halógenos de formar, con el sodio, una sal similar a la sal común (cloruro de sodio). Todos los miembros del grupo tienen una valencia de -1 y se combinan con los metales para formar halogenuros (también llamados haluros), así como con metales y no metales para formar iones complejos. Los cuatro primeros elementos del grupo reaccionan con facilidad con los hidrocarburos, obteniéndose los halogenuros de alquilo.

Elemento químico, sustancia que no puede ser descompuesta o dividida en sustancias más simples

por medios químicos ordinarios. Antiguamente, los elementos se consideraban sustancias fundamentales, pero hoy se sabe que consisten en una variedad de partículas elementales: electrones, protones y neutrones. Se conocen más de 100 elementos químicos en el Universo. Aunque varios de ellos, los llamados elementos transuránicos, no se encuentran en la naturaleza, han sido producidos artificialmente bombardeando núcleos atómicos de otros elementos con núcleos cargados o con partículas nucleares. Dicho bombardeo puede tener lugar en un acelerador de partículas (como el ciclotrón), en un reactor nuclear o en una explosión nuclear. Los elementos químicos se clasifican en metales y no metales. Los átomos de los metales son electropositivos y combinan fácilmente con los átomos electronegativos de los no metales. Existe un grupo de elementos llamados metaloides, que tiene propiedades intermedias entre los metales y los no metales, y que se considera a veces como una clase separada. Cuando los elementos están ordenados por orden de número atómico (número de cargas positivas existentes en el núcleo de un átomo de un elemento), se repiten a intervalos específicos elementos con propiedades físicas y químicas semejantes . Esos grupos de elementos con propiedades físicas y químicas similares se llaman familias, por ejemplo: los metales alcalinotérreos, los lantánidos, los halógenos y los gases nobles. La unidad de masa atómica de los elementos es un doceavo de la masa del átomo de carbono 12 (establecida arbitrariamente en 12). El número atómico, la masa atómica y el símbolo químico de cada uno de los elementos conocidos vienen dados en el sistema periódico o tabla periódica. Ver artículos sobre cada elemento por separado. Cuando dos átomos tienen el mismo número atómico, pero diferentes números másicos, se llaman isótopos. Algunos elementos tienen varios isótopos naturales, mientras que otros sólo existen en una forma isotópica. Se han producido cientos de isótopos sintéticos. Varios isótopos naturales y algunos sintéticos son inestables. Los elementos transuránicos pesados producidos en el laboratorio son radiactivos y tienen vidas muy cortas. Algunos físicos especulan sobre la existencia de un número de elementos superpesados estables, elementos con números atómicos de 114 o superiores; los datos obtenidos a raíz de la creación de los últimos elementos químicos del sistema periódico parecen confirmar esta “isla de estabilidad”.

Enlaces químicos en los metales alcalinos El enlace iónico es una forma de unión química de los átomos en la que se transfieren electrones de un átomo a otro de manera que los átomos tengan al final capas electrónicas totalmente llenas. Los metales alcalinos, como el potasio, tienen un único electrón en la capa externa del átomo. Es muy fácil que este electrón sea cedido a átomos de halógenos, como el cloro, que necesitan un único electrón para completar su capa externa. Cuando el electrón, que tiene carga eléctrica negativa, ha sido transferido, el átomo del metal alcalino se convierte en un ion positivo, mientras que el átomo del halógeno pasa a ser un ion negativo. Los dos iones se mantienen fuertemente unidos por atracción electrostática.

Isótopo, una de las dos o más variedades de un átomo que tienen el mismo número atómico, constituyendo por tanto el mismo elemento, pero que difieren en su número másico. Puesto que el número atómico es equivalente al número de protones en el núcleo, y el número másico es la suma total de protones y neutrones en el núcleo, los isótopos del mismo elemento sólo difieren entre ellos en el número de neutrones que contienen.

Isótopos del hidrógeno El número atómico de un átomo representa el número de protones de su núcleo. Este número es constante para cada elemento. Sin embargo, el número de neutrones puede variar, lo que da lugar a isótopos que tienen el mismo comportamiento químico pero diferente masa. Los isótopos del hidrógeno son el protio (sin neutrones), el deuterio (un neutrón) y el tritio (dos neutrones). El hidrógeno siempre tiene un protón en su núcleo, cuya carga está equilibrada por un electrón. Las imágenes que se muestran sólo son representaciones esquemáticas del átomo: en realidad el núcleo es 100.000 veces menor que el átomo, y el electrón es un millón de veces menor que el núcleo. El tamaño del átomo está determinado por el movimiento del electrón, que se produce en unas regiones del espacio llamadas orbitales.