3.7: Completar la Tabla Periódica de 20 Elementos
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En lo que va de este capítulo se han definido y discutido 10 elementos. Se requieren un total de 10 más para completar la tabla periódica abreviada de 20 elementos. Sus nombres y propiedades se resumen brevemente aquí. La tabla periódica se da en la Figura 3.9.
Sodio, Na, número atómico 11, masa atómica 22.99, viene directamente por debajo del litio en la tabla periódica y es muy similar al litio por ser un metal blando, químicamente muy reactivo. Hay un isótopo principal de sodio que contiene 12 neutrones en el núcleo del átomo. El sodio tiene 10 electrones de capa interna contenidos en su primera capa interna de 2 electrones y su segundo de 8 electrones. El undécimo electrón en el átomo de sodio se encuentra en una tercera capa, que es una capa externa. Esto se muestra como un punto único en el símbolo de Lewis de Na en la Figura 3.7. Los electrones en sodio se pueden representar como se muestra en la Figura 3.7.
Magnesio, Mg, número atómico 12, masa atómica 24.31, tiene 12 electrones por átomo por lo que tiene 2 electrones de capa externa. Hay tres isótopos de magnesio que contienen 12, 13 y 14 neutrones. El magnesio es un metal relativamente fuerte y muy ligero que se utiliza en aviones, escaleras de extensión, herramientas portátiles y otras aplicaciones donde el peso ligero es particularmente importante.
Aluminio, Al, número atómico 13, masa atómica 26.98, tiene 3 electrones de capa externa además de sus 10 electrones internos. El aluminio es un metal ligero utilizado en aviones, automóviles, líneas de transmisión eléctrica, construcción de edificios y muchas otras aplicaciones. Aunque es químicamente reactivo, el recubrimiento de óxido formado cuando el aluminio en la superficie del metal reacciona con el oxígeno en el aire es autoprotector y evita más corrosión.
En algunos aspectos importantes, el aluminio puede ser considerado como un metal verde. Esto se debe a que el aluminio permite la construcción de componentes fuertes y livianos que, cuando se usan en aviones y automóviles, requieren relativamente menos energía para moverse. Por lo que el aluminio es importante en la conservación de energía. Los cables de aluminio también proporcionan una manera eficiente de transmitir electricidad. Si bien los minerales de los que está hecho el aluminio son un recurso extractivo excavado de la tierra, el aluminio es un elemento abundante. Y hay recursos alternativos que se pueden desarrollar, incluido el aluminio en las cenizas volantes sobrantes de la combustión del carbón. Además, el aluminio es uno de los metales más reciclables, y la chatarra de aluminio se funde fácilmente y se funde en nuevos productos de aluminio.
Si un “elemento del siglo” fuera nombrado por el siglo XX, humilde silicio, Si, número atómico 14, masa atómica 28.09, sería un candidato probable. Esto se debe a que el silicio es el más utilizado de los elementos semiconductores y durante los últimos 1900 proporcionó la base para la explosión en electrónica y computadoras basadas en dispositivos semiconductores compuestos principalmente de silicio. A pesar del valor de estos productos a base de silicio, el silicio es abundante en el suelo y las rocas, ocupando el segundo lugar detrás del oxígeno como constituyente de la corteza terrestre. El átomo de silicio tiene 4 electrones de capa externa, medio octeto, y es un metaloide, intermedio en comportamiento entre los metales a la izquierda de la tabla periódica y los no metales a la derecha.
Al reducir enormemente la mayor parte de los componentes electrónicos en relación con el rendimiento, el silicio ha contribuido a un gran ahorro de materiales utilizados en radios, televisores, equipos de comunicaciones y otros dispositivos electrónicos. Además, los dispositivos semiconductores a base de silicio utilizados en la electrónica de estado sólido consumen solo una fracción de la electricidad una vez utilizada por los dispositivos basados en tubos de vacío. Los cables voluminosos hechos de cobre relativamente escaso que antes se empleaban para transmitir señales de comunicaciones eléctricamente han sido reemplazados en gran medida por dispositivos de fibra óptica consistentes en sílice transparente, SiO2, que transfieren información como pulsos de luz. Una fibra óptica similar al pelo puede transmitir muchas veces la cantidad de información por unidad de tiempo como el grueso cable de cobre que reemplaza. Y la energía requerida para la transmisión de una unidad de información por un cable de fibra óptica es minúscula en comparación con la requerida para enviar la misma información por impulso eléctrico sobre alambre de cobre. Entonces el silicio es verdaderamente un elemento verde que, aunque barato y abundante, realiza funciones electrónicas y de comunicaciones mucho más rápido y mejor que el cobre y otros metales que ha reemplazado.
Fósforo, P, número atómico 15, masa atómica 30.97, tiene 5 electrones de capa externa. Por lo que se encuentra directamente por debajo del nitrógeno en la tabla periódica y se asemeja al nitrógeno en su comportamiento químico. El fósforo elemental puro se presenta en varias formas, la más abundante de las cuales es el fósforo blanco. El fósforo blanco es un no metal químicamente muy reactivo que puede incendiarse espontáneamente en la atmósfera. Es tóxico y provoca deterioro del hueso. La mandíbula es especialmente susceptible a los efectos del fósforo y desarrolla una condición conocida como “mandíbula fossy” en la que el hueso se vuelve poroso y débil y puede romperse por la tensión de masticar. El fósforo químicamente combinado es un elemento vital esencial, sin embargo, y es uno de los componentes del ADN, la molécula básica que dirige los procesos de vida molecular. El fósforo también es un fertilizante esencial para plantas y es un ingrediente de muchos productos químicos industriales, incluidos algunos pesticidas.
El arsénico se encuentra en el mismo grupo de la tabla periódica que el fósforo y se presenta como una impureza con el fósforo procesado a partir del mineral. Si este fósforo se va a utilizar como alimento, se tiene que eliminar el arsénico.
Azufre, S, número atómico 16, masa atómica 32.06, tiene 6 electrones de capa externa. Es un no metal quebradizo, generalmente amarillo. Es un nutriente esencial para plantas y animales que se produce en los aminoácidos que componen las proteínas. El azufre es un contaminante común del aire emitido como dióxido de azufre, SO2, en la combustión de combustibles fósiles que contienen azufre. Gran parte de las grandes cantidades de azufre requeridas para la producción industrial de ácido sulfúrico y otros productos químicos que contienen azufre se recupera del sulfuro de hidrógeno, H2S, que contamina gran parte del gas natural (metano, CH4) que es un combustible y materia prima tan importantes en el mundo actual. De acuerdo con la mejor práctica de la química verde, el sulfuro de hidrógeno se separa del gas natural crudo y aproximadamente 1/3 del mismo se quema,
\[\ce{2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O} \label{3.7.1}\]
produciendo dióxido de azufre, SO2. El dióxido de azufre producido se hace reaccionar luego con el sulfuro de hidrógeno restante a través de la reacción de Claus, a continuación, produciendo un producto de azufre elemental que se utiliza para sintetizar ácido sulfúrico y otros químicos de azufre.
\[\ce{2H2S + SO2 → 3S + 2H2O } \label{2.7.2}\]
Cloro, Cl, número atómico 17, masa atómica 35.453, tiene 7 electrones de capa externa, a solo 1 electrón menos de un octeto completo. El cloro elemental es un gas diatómico de color amarillo verdoso que consiste en moléculas de Cl2. En estas moléculas los átomos de Cl alcanzan octetos estables de electrones de capa externa al compartir dos electrones en un enlace covalente como se ilustra en la Figura 3.8. El átomo de cloro también puede aceptar un electrón para alcanzar un octeto estable en el anión Cl- como se muestra en el compuesto iónico cloruro de sodio, NaCl, en la Figura 3.8.
El cloro elemental puede ser mortal cuando se inhala y fue el primer gas venenoso militar utilizado en la Primera Guerra Mundial A pesar de su naturaleza tóxica, el gas cloro ha salvado muchas vidas debido a su uso durante aproximadamente los últimos 100 años como desinfectante de agua potable que ha erradicado enfermedades mortales transmitidas por el agua, como cólera y tifoidea. El cloro es un importante químico industrial que se utiliza para fabricar plásticos y solventes. No hay posibilidad de escasez de cloro e incluso se puede hacer pasando una corriente eléctrica a través del agua de mar, que contiene cloro como cloruro de sodio disuelto.
Los aspectos verdes del cloro dependen de su aplicación. El cloro elemental es sin duda un material peligroso cuya fabricación y uso generalmente deben evitarse cuando sea posible en la práctica de la química verde. Pero, como se señaló anteriormente, el cloro elemental ha salvado muchas vidas por sus usos para desinfectar el agua. Una serie de pesticidas persistentes, incluido el DDT, son compuestos orgánicos compuestos por cloro junto con carbono e hidrógeno. Además del daño ecológico que hacen estos plaguicidas, los subproductos de desecho de su fabricación y de la producción de otros compuestos organoclorados se encuentran entre los contaminantes más abundantes de los molestos vertederos químicos de desechos peligrosos. Un plástico común, el cloruro de polivinilo (PVC), contiene cloro. Este plástico es ampliamente utilizado en tuberías de agua y tubería de drenaje, en la primera aplicación reemplazando relativamente escaso y costoso metal de cobre y plomo tóxico. Pero el material utilizado para hacer PVC es el cloruro de vinilo volátil. Es uno de los pocos carcinógenos humanos conocidos, habiendo causado casos documentados de una forma rara de cáncer de hígado en trabajadores anteriormente expuestos a niveles muy altos de vapor de cloruro de vinilo en el lugar de trabajo. Debido a los peligros del cloro elemental y los problemas causados por los compuestos organoclorados, la práctica de la química verde ciertamente trata de minimizar la producción y uso de cloro elemental y generalmente intenta minimizar la producción de compuestos organoclorados y su dispersión en el medio ambiente.
Elemento número 18, argón, Ar, masa atómica 39.95, nos lleva al final del tercer periodo de la tabla periódica abreviada. Tiene un octeto completo de electrones de capa externa y es un gas noble. No se han aislado compuestos químicos verdaderos de argón y no se conocen enlaces químicos que involucren este elemento hasta que se reportó la formación de un enlace transitorio muy inestable que involucra átomos de Ar en septiembre de 2000. El argón compone aproximadamente 1% en volumen en la atmósfera. En gran parte debido a su naturaleza químicamente inerte, el argón tiene algunos usos. Se emplea como gas para llenar bombillas incandescentes. En este sentido, ayuda a evitar la evaporación de los átomos de tungsteno candentes del filamento de la lámpara brillante, extendiendo así significativamente la vida útil de la bombilla. También se utiliza como medio de plasma en instrumentos empleados para el análisis de emisiones atómicas de plasma acoplado inductivamente de contaminantes elementales. En esta aplicación se utiliza una señal de radiofrecuencia para convertir el argón en un plasma gaseoso que contiene iones Ar+ cargados positivamente y electrones cargados negativamente y se calienta a unos 10,000˚C increíblemente calientes.
Completar la Tabla Periódica
El siguiente elemento a añadir a la tabla periódica abreviada es el elemento número 19. Esto inicia un cuarto periodo de la tabla periódica. Este periodo en realidad contiene 18 elementos, pero lo llevaremos sólo hasta los dos primeros. Esto se debe a que el elemento número 21 es el primero de los metales de transición y explicar su colocación en la tabla periódica sobre la base de los electrones en ellos se vuelve un poco más complicado e involucrado de lo que es apropiado para este libro. El lector que necesita más detalles es referido a otros libros estándar sobre química inicial.2,3
El elemento con número atómico 19 es el potasio, K, con una masa atómica de 39.10. La mayor parte del potasio consiste en el isótopo con 20 neutrones,. Sin embargo, una pequeña fracción de K natural está en forma de
. Este es un isótopo radiactivo de potasio y como todos tenemos potasio (un elemento esencial para la vida) en nuestros cuerpos, ¡todos somos naturalmente radiactivos! La masa muscular contiene más potasio que el tejido adiposo (graso), por lo que más personas musculosas son más radiactivas. Pero para no preocuparse, los niveles de radiactividad del potasio en el organismo son demasiado bajos para causar preocupación y, bajo ninguna circunstancia, no se pueden evitar. (Un defensor de la energía nuclear ha señalado que dormir con una persona musculosa expone a uno a más radiactividad que vivir cerca de un reactor de energía nuclear).
Las mismas cosas que se pueden decir del sodio, elemento número 11, son generalmente ciertas para el potasio. En estado elemental puro, el potasio es un metal alcalino muy reactivo. Como elemento esencial para la vida, es un fertilizante común agregado al suelo para que los cultivos crezcan bien. Químicamente, el potasio pierde su único electrón de capa externa para producir iones K+.
Calcio, Ca, número atómico 20, masa atómica 40.08, tiene 2 electrones de capa externa, dos más allá de un octeto completo. El átomo de calcio pierde fácilmente sus 2 electrones “extra” para producir cationes Ca2+. Al igual que otros elementos de su grupo en la tabla periódica, el calcio es un metal alcalinotérreo. El metal de calcio elemental es químicamente reactivo, aunque no tanto como el potasio. El calcio tiene propiedades químicas muy similares a las del magnesio, el metal alcalinotérreo directamente por encima del calcio en la tabla periódica.
El calcio es esencial para la vida, aunque la mayoría de los suelos contienen suficiente calcio para apoyar el crecimiento óptimo de los cultivos. El calcio es muy importante en nuestro propio cuerpo porque como mineral duro hidroxiapatita, Ca5OH (PO4) 3, es el material duro en dientes y huesos. La deficiencia de calcio puede provocar la formación de dientes pobres y el desarrollo de osteoporosis incapacitante, una afección caracterizada por huesos débiles que es especialmente probable que aquejen a mujeres mayores.