3.5: El Segundo Periodo de la Tabla Periódica
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El primer periodo de la tabla periódica es uno corto que consta de sólo dos elementos, hidrógeno y helio. Litio, el número atómico 3 inicia el segundo periodo, que cuenta con 8 elementos. En esta sección se discuten los elementos con números atómicos 4-10, que completan este periodo.
Berilio, Número Atómico 4
Al igual que los átomos de todos los elementos en el segundo periodo de la tabla periódica, el berilio, número atómico 4, masa atómica 9.012, tiene 2 electrones de capa interna. El berilio también tiene 2 electrones de capa externa, por lo que su símbolo de Lewis es
Además de 4 protones en sus núcleos, los átomos de berilio también tienen 5 neutrones. Cuando el átomo de berilio se oxida para formar un catión berilio, la reacción es
Be: → Be2+ + 2e- (perdido a otro átomo) (3.5.1)
Dado que el átomo de berilio necesita perder 2 electrones para alcanzar la configuración electrónica de helio de dos electrones, produce cationes Be2+ doblemente cargados.
El berilio tiene algunos usos importantes en la metalurgia. Fundido junto con otros metales, un proceso que produce aleaciones, el berilio produce productos metálicos duros y resistentes a la corrosión. Se pueden mezclar aleaciones de berilio que son buenos conductores eléctricos y que no producen chispas cuando se golpean, una característica importante en aplicaciones alrededor de vapores inflamables. Entre los dispositivos para los que las aleaciones de berilio son especialmente útiles se encuentran varios resortes especiales, interruptores y pequeños contactos eléctricos. El berilio ha encontrado una aplicación generalizada en componentes de frenos de aviones donde su temperatura de fusión muy alta (alrededor de 1290˚C) y buenas propiedades de absorción de calor y conducción son muy ventajosas.
En cierto sentido, el berilio es algo lo opuesto a un elemento verde. Esto se debe a sus efectos adversos para la salud, entre ellos la beriliosis, una enfermedad marcada por el deterioro pulmonar. Debido al peligro extremo de inhalación de Be, los niveles atmosféricos permisibles son muy bajos. Muchos trabajadores estuvieron expuestos ocupacionalmente al berilio como parte de la industria de reactores nucleares y armas en Estados Unidos en las décadas posteriores a la Segunda Guerra Mundial. En reconocimiento a los efectos adversos para la salud de la exposición ocupacional al berilio, a fines de la década de 1990 el Gobierno de Estados Unidos acordó indemnizar a los trabajadores que sufren exposición ocupacional a este metal.
Boro, un metaloide
Boro, B, número atómico de 5, masa atómica 10.81, consiste principalmente en el isótopo con 6 neutrones además de 5 protones en su núcleo; un isótopo menos común tiene 5 neutrones. Dos de los 5 electrones de boro están en un núcleo de helio y 3 son electrones externos como se indica por
El boro es el primer ejemplo de un elemento con propiedades intermedias entre las de metales y no metales llamados metaloides. Además del boro, los metaloides incluyen silicio, germanio, arsénico, antimonio y teluro, de los cuales el más notable, el silicio, se encuentra entre los primeros 20 elementos. En el estado elemental, los metaloides tienen un brillo como los metales, pero no forman fácilmente cationes simples. A diferencia de los metales, que generalmente conducen bien la electricidad, los metaloides suelen conducir la electricidad mal, si acaso, pero pueden convertirse en conductores bajo ciertas condiciones. Dichos materiales se llaman semiconductores y son de crucial importancia porque forman la base de la vasta industria de semiconductores del mundo, lo que nos ha dado computadoras pequeñas y potentes y una gran variedad de otros productos electrónicos.
El boro es una sustancia de alto punto de fusión (2190˚C) que se alea con metales de cobre, aluminio y acero para mejorar sus propiedades. Como buen absorbedor de neutrones, el boro se utiliza en barras de control de reactores nucleares y como aditivo absorbente de neutrones al agua que circula a través del núcleo de un reactor como medio de transferencia de calor. El nitruro de boro, BN, es extraordinariamente duro, al igual que algunos otros compuestos del boro. El óxido de boro, B2O3, es un ingrediente de la fibra de vidrio aislante del calor y el ácido bórico, H3BO3, se utiliza como retardante de llama en el aislamiento de celulosa en casas.
El elemento de la vida, el carbono
El carbono, C, número atómico 6, nos lleva a la mitad del segundo periodo de la tabla periódica. Además de sus 2 electrones internos, el átomo de carbono neutro tiene 4 electrones externos como lo muestra el símbolo de Lewis
La capacidad de los átomos de carbono para unirse entre sí determina las propiedades de las diversas formas importantes y útiles del carbono elemental. (Las diferentes formas del mismo elemento se llaman alótropos.) El polvo de carbono muy fino compone el negro de carbón, que se utiliza en llantas, tintas y tóner de impresora. Los átomos de carbono unidos en grandes moléculas planas componen el grafito, tan suave y resbaladizo que se usa como lubricante. El carbono tratado con vapor o dióxido de carbono a temperaturas elevadas desarrolla poros que le dan al carbono una enorme superficie. Este producto es carbón activado que es muy útil para purificar alimentos, eliminar contaminantes orgánicos del agua y eliminar vapores contaminantes del aire. Las fibras de carbono elementales se unen junto con resinas epoxi para producir compuestos ligeros tan fuertes que se utilizan para la construcción de aviones. Conectados entre sí de una manera diferente que da una estructura muy dura y rígida, los átomos de carbono producen diamante.
Una clase particularmente interesante de alótropos de carbono es la de los fullerenos que consisten en carbono elemental unido generalmente en anillos de 5 y 6 miembros para formar esferas, elipsoides y tubos. El primero de esta clase de carbono elemental descubierto solo en 1985 consiste en agregados de 60 átomos de carbono unidos entre sí en anillos de 5 y 6 miembros que componen la superficie de una esfera. Esta estructura se asemeja a las cúpulas geodésicas diseñadas como estructuras de construcción por Buckminster Fuller, un diseñador visionario. Por lo tanto, los descubridores de esta forma de carbono lo llamaron buckminsterfullereno y los balones C60, que se asemejan a balones de fútbol en su estructura, comúnmente se denominan “buckyballs”. Desde el descubrimiento del fullereno C60, se han sintetizado muchas formas relacionadas, de las cuales las más interesantes pueden ser tubos de carbono muy estrechos llamados nanotubos de carbono. (“Nano” es un prefijo comúnmente asignado a materiales en los que las unidades individuales tienen dimensiones alrededor de 1 nanómetro o 1 × 10-9 metros). Los nanotubos de carbono tienen propiedades muy interesantes, incluyendo algunas formas con una relación extraordinariamente grande de longitud a diámetro de hasta 132,000. 000:1. Debido a sus dimensiones únicas, extraordinaria resistencia, propiedades eléctricas y capacidad para conducir el calor de manera eficiente, los nanotubos de carbono son de intenso interés en la ciencia de los materiales, la nanotecnología, la electrónica, la óptica y otras aplicaciones de alta tecnología. Sin embargo, es necesario prestar especial atención a su toxicidad potencial.
Carbono Verde desde el Aire
El carbono está presente en el aire como dióxido de carbono gaseoso, CO2. Aunque el aire es solo de aproximadamente 0.04% de CO2 en volumen, sirve como fuente de carbono para el crecimiento de las plantas verdes. Al hacerlo, la clorofila en las plantas captura la energía solar en forma de luz visible, representada h ν, y la utiliza para convertir el dióxido de carbono atmosférico en azúcar de glucosa de alta energía, C6H12O6, como lo demuestra la siguiente reacción:
\[\ce{6CO2 + 6H2O ->[h\nu] C6H12O6 + 6O2} \label{3.5.2}\]
El carbono fijado en forma de C6H12O6 y compuestos relacionados proporciona la base de las cadenas alimentarias que sostienen a todos los organismos. El carbono orgánico producido por la fotosíntesis en eones pasados también proporcionó la materia prima para la formación de petróleo, carbón y otros combustibles fósiles. Ahora, a medida que disminuyen los suministros de estos escasos recursos y a medida que aumentan los costos ambientales de su extracción, transporte y utilización, se renueva mucho el interés por los compuestos de carbono producidos fotosintéticamente como materias primas e incluso combustibles. A pesar de los bajos niveles de dióxido de carbono en la atmósfera y la eficiencia relativamente baja de la fotosíntesis, las plantas de rápido crecimiento, como algunas variedades de álamo híbrido, pueden producir enormes cantidades de compuestos de carbono muy rápidamente y de manera sustentable.
Nitrógeno del Aire
Nitrógeno, N, número atómico 7, masa atómica 14.01, compone 78% en volumen de aire en forma de moléculas de N2 diatómicas. El átomo de nitrógeno tiene 7 electrones, 2 contenidos en su capa interna y 5 en su capa externa. Entonces su símbolo de Lewis es el siguiente:
El gas nitrógeno no se quema y generalmente no es reactivo químicamente. Se aprovecha la extrema estabilidad química del gas nitrógeno en aplicaciones donde se necesita un gas no reactivo para evitar incendios y explosiones. Si bien casi el 80% del aire que respiran las personas consiste en gas nitrógeno elemental, las personas han muerto de asfixia al ingresar a áreas llenas de gas nitrógeno en las que el oxígeno está ausente. Dado que el gas nitrógeno no tiene olor, no avisa de su presencia.
Grandes cantidades de nitrógeno líquido, que hierve a -190˚C muy fríos, se utilizan en áreas donde se necesitan temperaturas frías. Este líquido frígido se emplea para congelar rápidamente alimentos y para secar materiales en procesos de liofilización. Los materiales biológicos, como el semen utilizado en la cría artificial de animales, pueden conservarse en nitrógeno líquido.
La atmósfera es un reservorio inagotable de nitrógeno. Sin embargo, es muy difícil introducir nitrógeno en la forma químicamente combinada en la que se presenta en compuestos inorgánicos simples o proteínas. Esto se debe a la extrema estabilidad de la molécula de N2, mencionada anteriormente. La fijación química a gran escala del nitrógeno atmosférico sobre una superficie catalítica a altas temperaturas y presión como se representa por la reacción
\[\ce{N2 + 3H2 → 2NH3} \label{3.5.3}\]
fue un logro importante de la industria química hace aproximadamente un siglo. Esto permitió la producción a gran escala de fertilizantes nitrogenados relativamente baratos que dieron como resultado un alto incremento de la producción de cultivos, así como la fabricación de enormes cantidades de explosivos a base de nitrógeno que hicieron posible la carnicería sin precedentes de la Primera Guerra Mundial A pesar de las condiciones extremas requeridas para la preparación de compuestos nitrogenados por los humanos en la antrosfera, las bacterias humildes logran lo mismo en condiciones ambientales de temperatura y presión, convirtiendo N2 del aire en nitrógeno unido orgánicamente en biomasa. Entre las bacterias que hacen esto destacan las bacterias Rhizobium que crecen simbióticamente en las raíces de las plantas leguminosas, fijando el nitrógeno atmosférico que las plantas necesitan y extrayendo nutrientes de las plantas. Debido a esta capacidad, las legumbres, como la soja y el trébol crecen bien con menos fertilizante nitrogenado artificial que el requerido por otras plantas. Una de las posibilidades emocionantes de las plantas genéticamente modificadas es el potencial de desarrollar variedades fijadoras de nitrógeno de maíz, trigo, arroz y otros cultivos que ahora carecen de la capacidad de fijar nitrógeno.
El nitrógeno es un elemento vital esencial que está presente en todas las proteínas, hemoglobina, clorofila, enzimas y otras moléculas de vida. Circula a través de la naturaleza en el ciclo del nitrógeno por el cual el nitrógeno elemental se incorpora de la atmósfera a material biológico. La biomasa que contiene nitrógeno se convierte durante la biodegradación por bacterias en formas inorgánicas, las cuales pueden ser utilizadas como nitrógeno nutritivo por las plantas. Eventualmente, los procesos bacterianos convierten el nitrógeno de nuevo en N2 elemental, el cual es devuelto a la atmósfera para completar el ciclo.
Oxígeno, el aliento de la vida
Oxígeno, número atómico 8, masa atómica 16.00 es requerido por humanos y muchos otros organismos vivos. Un oxígeno elemental no metálico diatómico consiste en moléculas de O2 y constituye el 21% del volumen de aire. De sus 8 electrones, el átomo de oxígeno tiene 6 en la cubierta externa como se representa por la fórmula de Lewis:
El oxígeno ciertamente puede clasificarse como un elemento verde por una serie de razones, no la menor de las cuales es que O en la atmósfera está ahí para la toma. El oxígeno elemental se transfiere de la atmósfera a la antrosfera mediante la licuación del aire y la destilación del aire líquido, el mismo proceso que permite el aislamiento del nitrógeno puro. Estos dos gases también se separan del aire por adsorción sobre superficies sólidas bajo presión seguido de eliminación bajo vacío. El oxígeno puro tiene una serie de aplicaciones que incluyen el uso como gas para respirar por personas con deficiencias pulmonares, en síntesis química y en antorchas de oxiacetileno empleadas para soldar y cortar metales.
Si bien la molécula elemental de oxígeno es bastante estable, a altitudes de muchos kilómetros en la estratosfera, se descompone en átomos de oxígeno por la absorción de la radiación ultravioleta del sol como se muestra en el Capítulo 2, Reacción 2.13.1 Como ilustra la Reacción 2.13.2, los átomos de oxígeno formados por el disociación fotoquímica de O2 se combinan con moléculas de O2 para producir moléculas de ozono, O3. El resultado es una capa de aire altamente enrarecido que contiene algo de ozono en un rango de altitud de muchos kilómetros ubicado en lo alto de la estratosfera. En realidad no hay mucho ozono en esta capa. Si fuera ozono puro bajo las condiciones de presión y temperatura que ocurren a nivel del suelo, ¡la capa de ozono tendría solo unos 3 milímetros de espesor! Este ozono estratosférico, aunque escaso sea, cumple una función esencial en la protección de los organismos en la superficie de la Tierra de los efectos devastadores de la radiación ultravioleta del sol. Si no fuera por el ozono estratosférico, la vida como ahora se le conoce no podría existir en la Tierra.
El ozono tiene una personalidad dividida como una forma verde de oxígeno. Como se discutió anteriormente, el ozono en la estratosfera es claramente beneficioso y esencial para la vida. Pero es tóxico inhalar a niveles inferiores a incluso una parte por millón en volumen. El ozono es probablemente el constituyente más dañino del aire contaminado por la formación de smog fotoquímico en la atmósfera a nivel del suelo.
La característica química más notable del oxígeno es su capacidad para combinarse con otros materiales en reacciones de rendimiento energético. Una de esas reacciones con la que la mayoría de la gente está familiarizada es la quema de gasolina en un automóvil,
\[\ce{2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + energy } \label{3.5.4}\]
realizado de manera tan eficiente que la combustión de solo 1 galón de gasolina puede impulsar un automóvil de tamaño completo a más de 25 millas a velocidades de carretera. Junto con muchos otros organismos, utilizamos oxígeno en nuestros cuerpos para reaccionar con carbohidratos nutritivos,
\[\ce{C6H12O6 (glucose) + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energy } \label{3.5.5}\]
para proporcionar la energía que utilizamos. Mientras que la combustión de un combustible como la gasolina ocurre a temperaturas al rojo vivo, la “quema” de carbohidratos en nuestro cuerpo se produce a través de la acción de enzimas en el cuerpo a una temperatura corporal de sólo 37˚C.
El elemento más no metálico, el flúor
Flúor, F, número atómico 9, masa atómica 19.00 tiene 7 electrones externos como lo muestra su símbolo de Lewis
El flúor elemental consiste en moléculas F2 diatómicas que constituyen un gas amarillo verdoso. El flúor es el más no metálico de todos los elementos. ¡Reacciona violentamente con metales, materia orgánica e incluso vidrio! El flúor elemental es un veneno muy corrosivo que ataca la carne y forma heridas que curan muy mal. Debido a sus peligros, la práctica de la química verde busca minimizar la generación o uso de F2.
El flúor se utiliza en la síntesis química. Alguna vez fue ampliamente empleado para hacer freones, compuestos clorofluorocarbonados como diclorodifluorometano, Cl2CF2, que se utilizaron como fluidos refrigerantes, propelentes de latas de pulverización y agentes de soplado de espuma plástica. Como se discutió en el Capítulo 10, se encontró que estos compuestos constituían una amenaza para la capa de ozono estratosférica vital mencionada en la discusión sobre el oxígeno anterior. Ahora han sido reemplazados por sustitutos que contienen flúor como HFC-134a, CH2FCF3, que o bien no contienen el cloro (Cl) que destruye el ozono estratosférico o sufren destrucción por procesos químicos atmosféricos cerca de la superficie de la Tierra, y así nunca llegan a la estratosfera.