Historia de la tabla periódica (II)

Continuación de Historia de la tabla periódica (I).

La tabla periódica de Mendeléyev y Meyer

Con la idea de organizar los elementos de cara a sus clases, Meyer publicó en 1864 Las modernas teorías de química, un libro que contenía una primera versión de su tabla periódica en la que clasificaba, de acuerdo a su valencia, 28 elementos en 6 familias, dejando ya un hueco entre el silicio y el estaño, correspondiente al germanio, por entonces desconocido. En 1868 preparó una segunda edición con una nueva tabla periódica, ya con 55 elementos, y que incluía un estudio comparativo de los volúmenes de los átomos frente a sus pesos atómicos, un primer esbozo de la periodicidad de las propiedades de los elementos químicos, aunque este libro no fue publicado hasta 1872.

Sin embargo, el mérito de la tabla periódica se le concedió principalmente al ruso Mendeléyev quien se adelantó a Meyer al presentar en 1869 en la Sociedad Química Rusa de San Petersburgo la comunicación La relación de las propiedades de los elementos químicos con su peso atómico, que contenía su primera tabla y su ley periódica expresada en ocho puntos que se pueden resumir en:

Cuando los elementos se estudian en orden creciente de sus pesos atómicos, la similitud de las propiedades ocurre periódicamente, es decir, las propiedades de los elementos son función periódica de sus pesos atómicos.

A diferencia de sus antecedentes, la de Mendeléyev es la primera tabla basada, de forma conjunta, en los pesos atómicos de Cannizzaro y en las propiedades químicas de los elementos. La primera tabla de Mendeléyev contenía los 63 elementos conocidos e incluía cuatro más, a los que asignó los pesos atómicos 45, 68, 70 y 180, pronosticando el descubrimiento de escandio, el galio, el germanio y el tecnecio, respectivamente:

Primera tabla periódica Mendeléyev

Aunque la idea de dejar huecos donde se preveía la existencia de un elemento aun sin descubrir no fue única de Mendeléyev, pues otros científicos antes ya lo habían hecho, el logro de este fue que, además, había predicho con acierto algunas de las propiedades que el hipotético elemento tenía que mostrar.

Mendeléyev también corrigió algunos pesos atómicos y tuvo el arrojo de alterar el orden de tres parejas de elementos: el teluro (128) con el yodo (127), el mercurio (200) con el oro (197) y el bismuto (210) con el talio (204), porque el orden creciente de pesos atómicos no encajaba con la semejanza de propiedades químicas, priorizando el dictado de la ley periódica.

En 1871, Mendeléyev propuso una tabla con ocho columnas en la que los elementos se reagrupaban en base a su capacidad para formar óxidos o hidruros diferentes. Los periodos quedaron dispuestos en filas horizontales y los grupos distribuidos en columnas:

tabla ocho columnas Mendeléyev

El descubrimiento del helio causó a Mendeléyev una gran contrariedad pues el nuevo elemento no encajaba en ningún lugar de la tabla, pero más tarde resultó ser una valiosa y definitiva confirmación de la ley periódica, ya que el helio, y los demás gases inertes, que se descubrieron seguidamente, constituyeron el grupo 0 de la tabla ubicado en el extremo derecho de ella.

En 1882, la Royal Society of Chemistry reconoció tanto a Mendeléyev como a Meyer con la medalla Davy por su trabajo en la tabla periódica. Cinco años después, y tras cierta insistencia por su parte, Newlands también fue reconocido por el descubrimiento de la ley periódica.

A pesar de todo, la clasificación periódica de Mendeléyev también presenta defectos, algunos de los cuales persisten en las versiones actualizadas de la misma como tendremos ocasión de apreciar:

  • El hidrógeno no tiene un lugar adecuado en la tabla.
  • En ocasiones, las propiedades químicas de algunos elementos requieren una inversión en el orden establecido de acuerdo con sus pesos atómicos. En la época de confección de la tabla ocurrió con los pares yodo–teluro y oro–platino, más adelante volvió a plantearse la cuestión con los pares argón–potasio, cobalto–níquel y torio–protactinio.
  • Conforme fueron conociéndose elementos de las series que hoy conocemos como lantánidos y actínidos se constató que no tenían un lugar adecuado en la tabla. Para sortear este inconveniente, el químico checo Bohuslav Brauner sugirió que podían constituir una serie de transición interna
  • Da demasiada importancia a la valencia como elemento de juicio para determinar la adscripción de un elemento a un grupo de la tabla, lo que determina que elementos de comportamiento poco afín puedan encontrarse juntos como ocurre con los metales alcalinos Li, Na, K…, que se encuentran en un mismo grupo junto con Cu, Ag y Au.
  • El peso atómico, según el cual se ordenan los elementos, no varía periódicamente.

La tabla larga de Werner y Paneth

La tabla periódica fue aproximándose poco a poco a la que conocemos en la actualidad,  aunque su forma de presentación se debe a Alfred Werner y Friedrich Adolf Paneth.

En 1905 Werner propuso una forma larga de la tabla periódica, que separaba los grupos de la tabla corta (excepto gases nobles y grupo VIII) en dos subgrupos, A y B. En ella los elementos de tierras raras estaban colocados a continuación del lantano, por lo que la tabla resultaba demasiado engorrosa. Fue Paneth quien lo solucionó, simplemente, sacándolos de la tabla y colocándolos debajo, tal y como figuran en la gran mayoría de las tablas y que tan familiar nos resulta actualmente. Es decir, hizo lo mismo que Brauner solo que no por motivos conceptuales, como aquel, sino solo por motivos gráficos.

La ordenación por número atómico de Moseley

De la misma manera que está plenamente establecida la contribución de Mendeléyev a la creación de la tabla periódica, no hay duda que el autor intelectual del concepto de tabla periódica tal y como lo entendemos actualmente, cuyo ordenamiento sigue los números atómicos de los elementos, es Henry G. J. Moseley. Este físico inglés comenzó estudiando, supervisado por Rutherford, los rayos X emitidos por los metales cuando se bombardean con electrones. Moseley encontró, en 1913, que cada metal presentaba una frecuencia de emisión característica que era proporcional al cuadrado de un número entero que indicaba la posición de cada elemento en la tabla. Esta es, en esencia, la ley de Moseley:

Ley-Moseley

Donde f es la frecuencia de los rayos X, k1 y k2 son constantes y Z es el número atómico, el cual ya había sido relacionado con la carga del núcleo atómico del elemento por el físico holandés Antonius J. van den Broek, en 1911. Así lo contaba Moseley en su artículo, publicado en la revista Nature:

Tenemos aquí una prueba de que en el átomo hay una cantidad que se incrementa regularmente al pasar de un elemento al siguiente. Esta cantidad sólo puede ser la carga positiva del núcleo central, de cuya existencia tenemos ya una prueba definitiva.

A partir de la contribución de Moseley, se asignó un ordinal a cada elemento y se pudo saber, de forma inequívoca, qué huecos faltaban por rellenar (en esos momentos eran: 43, 61, 72, 75, 85, 87 y 91) estableciendo además, de forma inequívoca, el número exacto de lantánidos. El descubrimiento de los elementos que corresponden a esos huecos se llevó a cabo en los años siguientes.

No obstante, la tabla sufrió un cambio de aspecto en 1940, cuando Glenn T. Seaborg incluyó la serie de los actínidos para situar los elementos transuránidos descubiertos por él. Posteriormente se descubrirían los transactínidos del séptimo periodo. Recientemente se ha publicado el descubrimiento del elemento 118 (bautizado oficialmente como oganesón), que completa el séptimo periodo.

Historia de la tabla periódica (I)

El descubrimiento de los primeros elementos químicos

La idea moderna de elemento químico surgió en el siglo XVII, y podemos encontrar un precedente en la obra El químico escéptico (1661), de Robert Boyle, donde se menciona que «ciertos cuerpos primitivos y simples», que no están formados por otros cuerpos, son los que se combinan y componen los «cuerpos mixtos».

Las civilizaciones antiguas ya conocían y empleaban metales como el cobre, el plomo, el oro, la plata, el hierro, el estaño, el mercurio o el zinc, y también algunos no metales como el carbono, el azufre, el arsénico o el antimonio (antiguamente llamados metaloides). Sin embargo, el primer descubrimiento científico de un elemento químico no se produjo hasta 1670, cuando el alquimista Henning Brandt consiguió aislar el fósforo a partir de residuos de orina destilada.

El establecimiento de la química como disciplina científica permitió que durante el siglo XVIII se conocieran el cobalto (G. Brandt; 1730), el platino (A. de Ulloa; 1735), el níquel (A. F. Cronstedt; 1751), el bismuto (C. Geoffroy, 1753), el manganeso (T. Bergman; 1774), el molibdeno (C. W. Scheele; 1781) y el wolframio (T. Bergman; 1783). El desarrollo de la química neumática extendió el campo de estudio también a los gases, lo que condujo al descubrimiento del hidrógeno (H. Cavendish; 1766), el oxígeno (C. W. Scheele (1771) y el nitrógeno (D. Rutherford; 1772).

La clasificación de los elementos de Lavoisier

La culminación de estos estudios llegó de la mano del francés Antoine Lavoisier, considerado el padre de la química moderna, y la publicación de su Tratado elemental de química (1789). Lavoisier afianzó el concepto de elemento químico y elaboró una lista de 33 sustancias simples, que incluía los 23 elementos metálicos y no metálicos ya mencionados (en la imagen). Sin embargo, en ella también incorporaba la luz o el calórico, como entidades consustanciales a todo tipo de materia, y algunas sustancias que hoy sabemos que son compuestos.

Lista-elemento-químicos-Lavoisier.png

Lista de elementos elaborada por Lavoisier

Durante los siguientes años se descubrieron nuevos elementos y, en 1828, ya eran 54 los conocidos con seguridad y se preveía que la lista se iría incrementando con el tiempo. Es por ello que los químicos buscaban la manera de organizar los elementos y  los conocimientos acumulados.

Las tríadas de Döbereiner

En 1829, el alemán J. W. Döbereiner observó que el bromo, descubierto tres años antes, tenía propiedades afines, pero intermedias, a las del cloro y el yodo. Análoga observación había llevado a cabo con otros grupos de tres elementos, como el que forman el calcio, el estroncio y el bario, o el del azufre, el selenio y el teluro. En estas tríadas, hizo notar que el elemento central tenía un peso atómico era, aproximadamente, el promedio de los pesos atómicos de los otros dos elementos (ley de las tríadas). Sin embargo, como los elementos que se podían agrupar en tríadas eran poco numerosos dentro del conjunto de todos los conocidos, las tríadas de Döbereiner no pasaron de ser una curiosidad que se consideró sin interés real.

triadas-de-dobereiner

Tríadas de Döbereiner

El alemán Leopold Gmelin trabajó con el sistema de clasificación de Döbereiner y para 1843 había identificado diez tríadas, además de un grupo con cuatro y otro con cinco elementos relacionados. Posteriormente, en 1857, Jean Baptiste Dumas publicaría una descripción de las relaciones que mantienen varios grupos de metales. Sin embargo, aún no se había vislumbrado el esquema con el que organizar estos grupos de elementos.

El caracol telúrico de Chancourtois

En 1862, el geólogo francés A. Beguyer de Chancourtois identificó la periodicidad de los elementos químicos, e ideó una ingeniosa manera de representarlos. Al disponerlos en espiral sobre un cilindro en orden creciente de sus masas atómicas, encontró que aquellos elementos de propiedades semejantes se alineaban en la misma generatriz. Este diseño se conoce como hélice telúrica, espiral telúrica o caracol telúrico:

caracol-telurico-chancourtois

Las octavas de Newlands

En 1864, el químico inglés John Newlands comprobó que al ordenar los elementos por su masa atómica, las propiedades análogas aparecían recurrentemente en intervalos de ocho, de manera similar a las octavas musicales (por lo que se la conoce como ley de las octavas).

octavas-musicales.png

Un año después, Newlands presentaría su artículo La ley de las octavas y las causas de las relaciones numéricas de los pesos atómicos ante la Royal Society of Chemistry, pero no encontró sino incomprensión, hasta el punto de que, en broma, se le sugería que buscase mejores resultados disponiendo los elementos en orden alfabético. Conviene recordar que por entonces eran muchos los elementos desconocidos, por lo que la ordenación de los elementos mostraba ciertas irregularidades y dejaba de cumplirse a partir del calcio. Además, se le reprochaba que el descubrimiento de nuevos elementos desbarataría por completo la armonía de su propuesta.

octavas-newlands

Octavas de Newlands. En ella, el berilio aparece con el símbolo G, pues antiguamente era conocido como glicinium, e incluye el elemento Di, de nombre didinium, que posteriormente se demostró estar formado por una mezcla de praseodimio y neodimio.

Hacia la tabla periódica actual

Uno de los problemas al que se enfrentaban los químicos de la época era la confusión entre los conceptos de peso atómico, peso molecular y peso equivalente, lo que provocaba agrias polémicas entre atomistas y equivalentistas. Este motivo impulsó al químico August Kekulé a celebrar un congreso que pusiera orden sobre la nomenclatura, la formulación y los pesos atómicos y que tuvo lugar en Karlshure en septiembre de 1860. En el congreso, Stanislao Cannizzaro hizo, basándose en la hipótesis de Avogadro, una apasionada defensa del concepto de peso atómico frente al de equivalente y estableció la importancia de distinguir entre átomos y moléculas. Estas ideas calaron en dos jóvenes asistentes, Julius L. Meyer y Dmitri I. Mendeléyev quienes empezaron a imaginar un orden dentro de los elementos, lo que daría como resultado la primera tabla periódica.

Continuará…