El descobriment de la taula periòdica

Dimitri Ivanovich Mendeléiev, en estudiar els elements, va trobar una repetició periòdica de les seves propietats quan els va ordenar per ordre creixent de les seves masses atòmiques. Això significa que, al cap d'un cert nombre d'elements, es pot comprovar que els que els segueixen tenen propietats semblants a les dels elements precedents.

Mendeleiév va publicar al 1869 la seva taula periòdica, on trobem ordenats els 63 elements coneguts, de manera que els que tenen propietats similars queden situats en un mateix grup.

També el 1869, Julius Lothar Meyer (1839 - 1895), químic i metge alemany, va proposar una taula semblant, però va ser coneguda més tard que la taula periòdica Mendeléiev.

Mendeléiev va tenir la intuïció de deixar espais de la seva taula per situar elements que encara no s'havien descobert. Va donar a cadascun un nom provisional i en va predir les propietats físiques i químiques.

El descobriment de gal·li (1875) i el germani (1886), com també la concordança entre les propietats que presentaven i les que ell havia previst, van contribuir a l'èxit de la seva taula.

Quan Mendeléiev la va donar a conèixer, el 1869, només es coneixien 63 elements. Un any després de la seva mort ja se'n coneixien 86.

La classificació periòdica de Mendeleiév va constituir una de les aportacions teòriques més importants de la química.

Des de l'antiguitat, els homes s'han preguntat de què estan fetes les coses. Del primer del qual tenim notícies va ser un pensador grec, Tals de Mileto, qui en el segle VII abans de Crist, va afirmar que tot estava constituït a partir d'aigua, que enrarint-se o solidificánt-se formava totes les substàncies conegudes. Amb posterioritat, altres pensadors grecs van suposar que la substància primigènia era una altra. Així, Anaxímenes, en al segle VI a.C. pensava que era l'aire i Heràclit el foc. En el segle V, Empèdocles va reunir les teories dels seus predecessors i va proposar no una, sinó quatre substàncies primordials, els quatre elements: Aire, aigua, terra i foc. La unió d'aquests quatre elements, en diferent proporció, donava lloc a la gran varietat de substàncies distintes que es presenten en la naturalesa. Aristòtil, va afegir a aquests quatre elements un cinquè: el cinquè element, l'èter, que formava les estrelles, mentre que els altres quatre formaven les substàncies terrestres.

Després de la mort d'Aristòtil, gràcies a les conquestes d'Alexandre Magne, les seves idees es van propagar per tot el món conegut, des d'Espanya, a occident, fins a la Índia, a l'orient. La barreja de les teories d'Aristòtil amb els coneixements pràctics dels pobles conquistats van fer sorgir una nova idea: La alquimia. Quan es fonien certes pedres amb carbó, les pedres es convertien en metalls, a l'escalfar sorra i calcària es formava vidre i similarment moltes substàncies es transformaven en unes altres. Els alquimistes suposaven que ja que totes les substàncies estaven formades pels quatre elements de Empèdocles, es podria, a partir de qualsevol substància, canviar la seva composició i convertir-la en or, el més valuós dels metalls de l'antiguitat.

Durant segles, els alquimistes van intentar trobar, una substància, la pedra filosofal, que transformava les substàncies que tocava en or, i a la qual atribuïen propietats meravelloses i màgiques.

El descobriment dels elements

ncara que alguns elements com l'or (Au), plata (Ag), coure (Cu), plom (Pb) i el mercuri (Hg) ja eren coneguts des de l'antiguitat, el primer descobriment científic d'un element va ocórrer en el segle XVII quan l'alquimista Henning Brand va descobrir el fòsfor (P).

En el segle XVIII es van conèixer nombrosos nous elements, els més importants dels quals van anar els gasos, amb el desenvolupament de la química pneumàtica: oxigen (O), hidrogen (H) i nitrogen (N). També es va consolidar en aquests anys la nova concepció d'element, que va conduir a Antoine Lavoisier a escriure la seva famosa llista de substàncies simples, on apareixien 33 elements.

A principis del segle XIX, l'aplicació de la pila elèctrica a l'estudi de fenòmens químics va conduir al descobriment de nous elements, com els metalls alcalins i alcalinoterris, sobretot gràcies als treballs de Humphry Davy.

En 1830 ja es coneixien 55 elements. Posteriorment, a mitjan segle XIX, amb la invenció del espectroscopi, es van descobrir nous elements, molts d'ells nomenats pel color de les seves línies espectrals característiques: cesi (Cs, del llatí caesius, blau), tal•li (Tl, de tija, pel seu color verd), rubidi (Rb, vermell), etc.

La noció d'element i les propietats periòdiques

Lògicament, un requisit previ necessari a la construcció de la taula periòdica era el descobriment d'un nombre suficient d'elements individuals, que fes possible trobar alguna pauta en el comportament químic i les seves propietats. Durant els següents 2 segles, es va anar adquirint un gran coneixement sobre aquestes propietats, així com descobrint molts nous elements. La paraula element procedeix de la ciència grega però la seva noció moderna va aparèixer al llarg del segle XVII, encara que no existeix un consens clar respecte al procés que va conduir a la seva consolidació i ús generalitzat. Alguns autors citen com precedent la frase de Robert Boyle "certs cossos primitius i simples que no estan formats per altres cossos, ni uns d'uns altres, i que són els ingredients que es componen immediatament i que es resolen en últim terme tots els cossos perfectament mixts". Tot això va conduir a diferenciar en primer lloc quines substàncies de les conegudes fins a aquest moment eren elements químics, quins eren les seves propietats i com aïllar-los. El descobriment d'un gran nombre de nous elements, així com l'estudi de les seves propietats, van posar de manifest algunes semblances entre ells, el que va augmentar l'interès dels químics per buscar algun tipus de classificació.

La noció de nombre atòmic i la mecànica quàntica

La taula periòdica de Mendeléiev presentava certes irregularitats i problemes. En les dècades posteriors va haver d'integrar els descobriments dels gasos nobles, les terres rares i els elements radioactius. Un altre problema addicional eren les irregularitats que existien per a compaginar el criteri d'ordenació per pes atòmic creixent i l'agrupació per famílies amb propietats químiques comunes. Exemples d'aquesta dificultat es troben en les parelles tel•luri-iode, argó-potassi i cobalt-níquel, en les quals es fa necessari alterar el criteri de pesos atòmics creixents en favor de l'agrupació en famílies amb propietats químiques semblants.

Durant algun temps, aquesta qüestió no va poder resoldre's satisfactòriament fins que Henry Moseley (1867-1919) va realitzar un estudi sobre els espectres de RAJOS X en 1913. Moseley va comprovar que al representar l'arrel quadrada de la freqüència de la radiació en funció del nombre d'ordre en el sistema periòdic s'obtenia una recta, la qual cosa permetia pensar que aquest ordre no era casual sinó reflex d'alguna propietat de l'estructura atòmica.

Avui sabem que aquesta propietat és el nombre atòmic (Z) o nombre de càrregues positives del nucli. L'explicació que veren acceptar actualment de la llei periòdica descoberta pels químics de mitjan del segle passat va sorgir després dels desenvolupaments teòrics produïts en el primer terç del segle XX. En el primer terç del segle XX es va construir la mecànica quàntica.

Gràcies a aquestes investigacions i als desenvolupaments posteriors, avui s'accepta que l'ordenació dels elements en el sistema periòdic està relacionada amb l'estructura electrònica dels àtoms dels diversos elements, a partir de la qual es poden predir les seves diferents propietats químiques.

Dmitri Ivánovich Mendeléyev

Dmitri Ivánovich Mendeléyev

Taula periòdica dels elements creada per Mendeléiev

Dmitri Ivánovich Mendeléyev (8 de febrer 1834, a Tobolsk - 2 de febrer 1907, a Sant Petersburg) va ser un químic rus, creador de la Taula periòdica dels elements. Sobre les bases de l'anàlisi espectral establert per Bunsen i Kirchoff, es va ocupar de problemes químics-físics relacionats amb l'espectre d'emissió dels elements.

Va realitzar les determinacions de volums específics i va analitzar les condicions de liqüefacció dels gasos, així com també l'origen dels petrolis.

La seva investigació principal va ser la qual va donar origen a la enunciació de la llei periòdica dels elements, base del sistema periòdic que duu el seu nom. Al 1869 va publicar el seu llibre Principis de la química, en el qual desenvolupava la teoria de la Taula periòdica dels elements.

Segons Mendeléyev el sistema periòdic era l'ordenació de tots els elements químics, naturals o creats artificialment. A mesura que es van perfeccionar els mètodes de recerca, el nombre d'elements químics coneguts va ser creixent sense parar i va sorgir la necessitat d'ordenar-los d'alguna manera.

Es van realitzar diversos intents, però l'intent decisiu ho va realitzar el científic rus, Mendeléyev, que va crear el que avui es denomina sistema periòdic.

Julius Lothar Meyer

Julius Lothar Meyer

(Varel, 19 d'agost de 1830 - Tübingen, 11 d'abril de 1895 ) va ser un químic alemany i contemporani competidor de Dmitri Mendeléyev que es va donar a la tasca de crear la primera Taula periòdica dels elements químics.

En un article publicat en 1870 va presentar el seu descobriment de la llei periòdica que afirma que les propietats dels elements són funcions periòdiques de la seva massa atòmica.

Aquesta llei fonamental va ser descoberta en 1869 pel químic rus Dmitri Ivánovich Mendeleyev, qui va anar més reconegut per la troballa que el seu amic Meyer. La raó que se li conegui i se li dongui major mèrit a Dmitri Mendeléyev que a Meyer resideix en l'ús espectacular que se li va donar a la taula periòdica.

Aquests van ser els primers científics a crear la taula periòdica en l'any 1869.

Meyer, va trobar una correlació diferent a la trobada per Newlands. Va buscar determinar els volums atòmics dels elements. Per a obtenir-los, va pesar quantitats en grams numèricament iguals al pes atòmic de cada element. Per exemple: un gram d'hidrogen, 16 grams d'oxigen, etc.

Després va amidar el volum que ocupaven aquests pesos a la mateixa temperatura i pressió. Va suposar que la diferència que s'apreciava havia de reflectir la diferència real del volum d'un element a un altre. Quan va fer una gràfica dels valors que va obtenir, en funció dels pesos atòmics, va observar que es presentaven una sèrie d'ones amb ascens en el pes atòmic que corresponien a un increment en les seves propietats físiques.

Meyer va publicar el seu treball el 1870.

La taula periòdica moderna

En descobrir-se la complexitat de l'àtom i una vegada identificat el nombre de protons continguts en el nucli, es va posar de manifest que el criteri d'ordenació dels elements havia de s el nombre àtomic, ja que és una magnitud més fonamental que la massa atòmica. En la taula periòdica moderna, o sistema periòdic, els elements estan ordenats per ordre creixent del seu nombre atòmic.

Descripció de la taula periòdica

• Períodes. Els elements estan alineats en files horitzontals anomenades períodes i numerades de la fila 1 a la 7.

Quan s'ordenen d'aquesta manera, s'observa que, en arribar a un element determinat, si col·loquem el següent sota el primer, els dos elements de la mateixa columna tenen propietats semblants.

Per exemple, el liti i el sodi tenen propietats similars. Però això no passa només amb el liti i el sodi, sinó també amb el beril·li i el magnesi, el bor i l'alumini, el carboni i el silici, i així successivament. Si en arribar a l'argó, col·loquem el potassi a sota del sodi, veiem que el liti, el sodi i el potassi, que es troben a la mateixa columna, tenen propietats semblants

• Grups o famílies. Són els conjunts d'elements de cada columna que presenten determinades similituds. Es numeren de l'1 al 18.

• Blocs. La taula periòdica es pot també dividir en blocs d'elements segons l'orbital que estiguin ocupant els electrons més externs. Els blocs es diuen segons la lletra que fa referència al orbital més extern: s, p, d i f. Podria haver més elements que omplirien altres orbitals, però no s'han sintetitzat o descobert; en aquest cas es continua amb l'ordre alfabètic per a nomenar-los.

- Bloc s. Els elements del bloc s (per tenir els seus electrons de valència en el orbital s) són aquells situats en els grups 1 i 2 de la taula periòdica dels elements. En aquests elements el nivell energètic més extern correspon als orbitals s.

En els orbitals s caben dos electrons, i aquests elements tenen tendència a perdre aquests electrons, arribant a així la configuració electrònica del gas noble més proper.

- Bloc p. Els elements del bloc p (per tenir els seus electrons de valència en el orbital p) són aquells situats en els grups 13 a 18 de la taula periòdica dels elements. En aquests elements el nivell energètic més extern correspon a orbitals p.

- Bloc d. Els elements del bloc d (per tenir electrons en el orbital d) són aquells situats en els grups 3 a 12 de la taula periòdica dels elements. En aquests elements el nivell energètic més extern correspon a orbitals d.

En el diagrama es mostra la taula periòdica dividida en blocs. En el bloc d hi ha trenta elements (realment hi ha més, però no es troben en la naturalesa i no se solen tenir en compte). Aquests es divideixen en deu grups de tres (les columnes), on els tres elements tenen propietats físiques i químiques semblants entre si, encara que els dos que es troben més baix se semblen més entre si i mostren més diferències amb el qual està en la primera fila (cridat normalment "element capçalera de grup").

- Bloc f. Els elements del bloc f (per tenir els seus electrons de valència en el orbital f) són dues sèries, una començant a partir de l'element lantànid i l'altra a partir del actini, i per això als elements d'aquestes sèries se'ls anomena lantànids i actínids. Encara que en la taula periòdica dels elements haurien d'estar després d'aquests dos elements, se solen representar separats de la resta. També es coneixen com terres rares.

Els elements representatius són els que formen els vuit grups de la taula següent:

Metalls de transició

Al mig de la taula periòdica, entre els grups 2 i 13, hi ha 10 grups anomenats metalls de transició. Reben aquest nom perquè el formen elements metàl·lics amb propietats que varien gradualment d'esquerra a dreta. Els més importants són el ferro i el coure.

Lantànids i actíids

Al peu de la taula hi ha dues grans famílies, la família dels lantànids i la família dels actínids. S'anomenen així perquè comencen, respectivament, amb el lantà i amb l'actini. Els elements que formen cada família tenen entre si propietats molt semblants, per això s'agrupen i s'estudien conjuntament.

Metalls i no metalls

A la taula periòdica es pot diferenciar una seperació que va des del bor fins a l'àstat que els separa en dos grans grups d'elements: els que estan situats a l'esquerra que són metalls, i els que estan situats a la dreta que són no-metalls.

Els elements contigus a aquesta línia que separa els dos grans grups, presenten en alguns casos propietats dels metalls i, en d'altres, dels no-metalls, i es consideren semimetalls.

Metalls

• La major part dels elements són metàl·lics.

• Tots són sòlids a temperatura ordinària, excepte el mercuri i el franci (radioactiu), que són líquids.

• Des del punt de vista físic, els metalls es caracteritzen per la seva brillantor metàl·lica, pel fets de ser, en general, mal·leables (es poden reduir a làmines fines) i dúctils (es poden estirar en fils).

• Són bons conductors de la calor i l'electricitat.

• La densitat dels metalls és molt variable i la seva duresa també.

• Molt poques vegades s'utilitzen els metalls purs, ja que les seves propietats metàl·liques milloren quan formen aliatges.

No-metalls

• Formen una àmplia varietat de compostos, tant amb els metalls com entre si.

• Uns són gasos, com l'hidrogen, l'oxigen, el nitrogen, el fluor i el clor; el brom és líquid i la resta són sòlids.

• La majoria no són bons conductors de l'electricitat ni de la calor, ni tenen brillantor metàl·lica.

Semimetalls

• Entre els semimetalls hi ha el silici i el germani, components bàsics en la fabricació dels transitors.

• Són semiconductors, ja que només condueixen l'electricitat en determinades condicions.