ELEMENTOS QUÍMICOS Y SU PERIODICIDAD

LOS PRIMEROS ELEMENTOS

Desde los tiempos más antiguos, los seres humanos han estado intrigados por la composición del  mundo. Durante la prehistoria se realizaron los primeros grandes progresos de la humanidad: el lenguaje, el fuego, la domesticación de animales, el cultivo de la tierra, etc. Pero de esa época, solo se tienen nociones generales y vagas, debido a que son muy escasas las evidencias remanentes, dado que los implementos que utilizaba el hombre prehistórico fueron aquellos que se encontraban en su estado natural: piedras, madera, huesos.... De allí que en la actualidad, se distingan los diferentes períodos según el material más duradero empleado en ellos para fabricar útiles de caza e implementos domésticos. Así en la “Edad de Piedra”, la cual abarca los períodos Paleolítico y Neolítico este fue el material predominante el cual, primero tallado y luego pulido, permitió el desarrollo de la civilización. El hombre prehistórico debe de haberse sentido fascinado por otros materiales más brillantes, más coloridos y más difíciles de conseguir que las piedras comunes. Las pepitas de oro y de plata que algunas veces resaltaban en el terreno, probablemente les parecieron tan diferentes a todo lo conocido que las llamaban “sudor del sol” y “lágrimas de la luna”, por lo que seguramente el primer uso que se les dio fue como  ornamentos, en los rituales dedicados a estos astros celestes.

 2 Elementos Químicos y sus Propiedades Periódicas

Así, es muy posible que la palabra “metal”, utilizada para nombrarlos, derive del vocablo griego metallas que significa “buscar”. Pero a la plata y el oro no se les dio otra utilidad que la decorativa, ya que lo poco abundante de estos materiales “preciosos” y su escasa dureza no los hacían adecuados para fabricar herramientas o implementos de uso cotidiano. Por ello el cobre, un material más resistente y el cual era posible encontrarlo en mayores cantidades en forma libre en la naturaleza separado de otros minerales, llegó a ser el primer metal empleado por el hombre con fines utilitarios. En la Edad de Cobre se fabricaron herramientas y armas de este metal, las cuales a diferencia de las de piedra, podían volver a afilarse. El cobre se hizo más abundante cuando se descubrió que podía obtenerse en crisoles primitivos, en los que se alcanzaban temperaturas suficientemente altas para extraerlo de las rocas donde se le encontraba mezclado con otros minerales.

La maleabilidad del cobre impedía emplearlo en la manufactura de implementos verdaderamente resistentes. Este inconveniente se resolvió cuando redescubrió que al calentar juntos minerales de cobre y de estaño, se obtenía un nuevo metal, el bronce, mucho más apto por su dureza para forjar con él toda clase de instrumentos. Durante la “Edad de Bronce” los pueblos que conocían el arte de producirlo adquirieron una gran superioridad bélica, pues este metal sirvió para mejorar las espadas, puntas de flecha, corazas y cascos de sus guerreros, permitiéndoles vencer a cualquier ejército que no tuviese armas de este metal. Tal era el prestigio del cual gozaban los forjadores en aquella época, que casi siempre formaban parte de las cortes reales, y en la mitología eran honrados a través de la figura de Hefestos, dios griego del fuego y del metal.

La “Edad de Hierro” se inició con el descubrimiento del secreto para fundir este metal, el cual requiere de un calor más intenso que para fundir el bronce, lo cual se lograba utilizando hornos alimentados con carbón vegetal y suministrando aire mediante un fuelle. Los hititas, que habían levantado un poderoso 3Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Química imperio en el Asia Menor, fueron los primeros en utilizar comúnmente el hierro en la  confección de herramientas. El hierro en sí no es demasiado duro, pero podía mejorarse su dureza dejando que permaneciera en contacto con el carbón, formando la aleación que ahora conocemos como “acero”. Los dorios, antigua tribu griega, equipados con armas de hierro, invadieron el Peloponeso desde el norte, aproximadamente en el año 1.100 a.C. y fueron sometiendo gradualmente a los pueblos micénicos que, a pesar de su civilización más avanzada, solo disponían de armamentos de bronce. El primer ejército totalmente equipado con hierro de buena calidad fue el asirio, lo que le permitió 900 años a.C., formar un extenso imperio.

En Grecia, hacia el año 600 a.C., los filósofos observaron con detenimiento todos los diferentes cambios que se producían a su alrededor, bien por causa de los fenómenos  naturales, o por causas inducidas por el hombre. Esto les llevó a cuestionarse acerca de la naturaleza del Universo y de los materiales que en él existían. Aunque más interesados en el “por que” de las cosas, que en sus aplicaciones prácticas, trataron de comprender y explicar de manera racional, cuales eran los componentes básicos de los objetos que los rodeaban. Tales de Mileto se planteó, que si algunas sustancias podían transformarse en otras, probablemente todos los materiales conocidos no serían sino variaciones diferentes de una materia básica, o “elemento”. Ya  que para Tales, lo más abundante en la naturaleza era el agua, él consideró que esta era el “elemento” a partir del cual estaban constituidas todas las cosas.

Esta tesis sobre un elemento primigenio fue muy aceptada entre los filósofos griegos, aunque Anaxímenes de Mileto consideraba que era el aire, y no  el agua, el elemento constituyente del universo. El aire podía comprimirse formando las sustancias más densas como el agua o la tierra. Heráclito de Efeso, por su parte, creía que lo más característico del Universo era el cambio, por lo que el fuego en su constante mutación, representaba con más certeza al elemento original. También Empédocles  de Agrigento, compartía la idea de sus predecesores, pero consideraba que en lugar de uno, eran cuatro los elementos 4Elementos Químicos y sus Propiedades Periódicas precursores: el agua de Tales, el aire de Anaxímedes, el fuego de Heráclito y la tierra, añadida por el mismo Empédocles.

Aristóteles adoptó y complementó esta teoría de los cuatro “elementos”, aunque planteaba que estos elementos no eran en sí, las mismas sustancias que conocemos como tales, sino que eran entidades representadas por las sustancias físicas más parecidas o relacionadas con dichos elementos. También estableció la existencia de cuatro “propiedades” elementales: calor y frío; sequedad y humedad, de cuyas combinaciones se originaban los elementos. Así, calor + sequedad = Fuego; calor + humedad = Aire; frío + sequedad = Tierra; frío + humedad = Agua. Estos “elementos” eran por naturaleza imperfectos, así que además postuló la existencia en los cielos, de un quinto elemento inmutable: el éter.

La gran influencia de Aristóteles en el pensamiento occidental, permitió que haya perdurado hasta nuestros días la expresión “elementos aristotélicos”, y que se utilice de manera figurada dentro del lenguaje corriente. A los signos del zodíaco, por ejemplo, se les divide en signos de agua, tierra, aire y fuego, según sean las características supuestamente asignables a la personalidad de quienes nacen bajo algún signo en particular. También se habla de la “furia de los elementos”, para denotar la violencia de  los fenómenos naturales (tormentas, terremotos, avalanchas, etc.). Y cuando se quiere señalar que ciertos materiales, objetos o ideas, son muy puros, concentrados o resumen claramente un concepto, se utiliza la palabra “quintaesencia”, que es la transformación al latín de “quinto elemento”, la entidad perfecta e inmutable de la antigüedad.

Un discípulo de Aristóteles, Alejandro Magno, llegó a conquistar todo el mundo conocido para la época, a través de sus épicas campañas. Los imperios persa y egipcio pasaron a estar regidos por descendientes de los griegos, y en consecuencia adoptaron mucha de su cultura, entremezclándola con la propia. Ptolomeo uno de los generales de Alejandro Magno, estableció un reino en Egipto, cuya capital fue la ciudad de Alejandría (fundada por el mismo Alejandro  Esta 5Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Química ciudad fue el centro artístico y literario del imperio, heredera de la civilización helénica.

ya antes de esta dominación griega, los egipcios eran expertos metalúrgicos, conocían los métodos de embalsamamiento de cuerpos y preparaban pigmentos minerales y extractos vegetales. De allí, que los griegos admirados por estos conocimientos llegaran a llamarlos khemeia o “el arte egipcio”. En este “Período Helenístico” (300 a.C.-600 d.C.) ya se conocían además de los metales nativos oro, plata y cobre, el azufre, que podía encontrarse en forma natural  cerca de los volcanes o aguas termales, y el carbón, extraído naturalmente de la tierra o producido por la combustión de la materia vegetal. Asimismo, se conocían otros metales como hierro, plomo, estaño y mercurio que eran obtenidos de los minerales que  los contienen por descomposición térmica o por reducción con fuego de leña y suministro de aire con un fuelle.

LOS ALQUIMISTAS

A partir del siglo VII comenzó la expansión del Islamismo, doctrina religiosa estructurada por Mahoma la cual llevó a los árabes a conquistar grandes territorios en Siria, Palestina y Persia. También conquistaron Egipto y todo el norte de África, y luego la península española, donde se mantuvieron hasta el siglo XV, cuando fueron expulsados por los Reyes Católicos. Durante este período, mientras que en el resto de Europa no se produjeron avances significativos, los árabes llegaron a dominar en muchas áreas del conocimiento humano. De hecho en árabe, la palabra khemeia llegó a convertirse en al-kimiya, la cual se generalizó en Europa como “alquimia”. En la  actualidad se denomina con este término, al desarrollo de todos los conocimientos y aplicaciones de la química. Durante los siglos posteriores, la alquimia estuvo envuelta en un halo de misterio, ya que a los pocos que la practicaban se les consideraba dotados de poderes sobrenaturales. Esto fue incentivado además por los mismos alquimistas, a quienes les interesaba mantener ocultos sus estudios relacionados con la transmutación de los metales, destinados a convertir el plomo o el hierro en oro. No fue sino hasta el siglo X.

Propiedades Periódicas que el alquimista persa Al Razi conocido en Europa como Rhazes, describe detalladamente el antimonio, no obstante que este ya era usado anteriormente con fines medicinales. Al Razi se interesó más por la medicina que por la obtención de oro, dando origen a los aspectos médicos de la alquimia, que continuaron con el persa Ibn Sina cuyo nombre latinizado llegó a ser Avicena. Alberto de Bollstadt fue un filósofo cristiano, poseedor de unos amplios conocimientos y sabiduría, que le ganaron el título de San Alberto Magno, patrono de los científicos. Se erigió como el primer alquimista europeo importante, y en los escritos que describen sus experimentos, detalla con precisión el arsénico, por lo que se le considera su descubridor, aunque probablemente este ya era conocido por los antiguos alquimistas.

El alemán Georg Bauer conocido como “Agrícola”, recopiló en su libro De Re Metállica, el uso practico que se le daba a los minerales en esa época, y en el que se describe el bismuto, por lo que algunos le atribuyen su descubrimiento, pese a que este era producido en Alemania antes del siglo XV.

El suizo Teophrastus Bombastus von Hohenheim mejor conocido por el seudónimo de “Paracelso”, en su búsqueda de la “piedra filosofal”obtuvo el cinc y con frecuencia se le considera su descubridor, aunque este, puro o en forma de aleación con el cobre (latón), ya se empleaba en la India y en China desde antes del siglo XVI.

Alquimista alemán Henning Brandt consiguió aislar el fósforo, obteniéndolo a partir de la orina, en la cual creía podía conseguir la “piedra filosofal”. Brandt ha ser llegado a ser conocido como “el último alquimista” y fue el primer hombre en reportar el descubrimiento de un elemento desconocido hasta la época, previamente al desarrollo de la ciencia moderna.

El irlandes Robert Boyle publicó su libro “El Químico Escéptico”, en el cual se utiliza por primera vez el término “químico”, en lugar de “alquimista” (este 7Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Química paralelismo es más notorio en el idioma ingles, ya que estas palabras se traducen respectivamente como “chemist” y “alchemist”). Aun cuando él consideraba a los elementos como las sustancias más simples primarias de las cuales se formaban todos los demás materiales, no estaba de acuerdo en identificarlos con sus homólogos aristotélicos, aire, agua, tierra y fuego.

Boyle fue el primero en dar una definición de elemento químico: “Entiendo por elementos, con la misma convicción con que aquellos químicos hablan categóricamente de sus Principios, a ciertos cuerpos primitivos y simples, o perfectamente no mezclados qué, no estando constituidos por otros cuerpos –o uno por otro-, son los ingredientes de los cuales todos los cuerpos perfectamente mixtos se encuentran compuestos, y en los cuales estos últimos se resuelven cuando son divididos hasta las últimas consecuencias”. Según esto, una sustancia simple podía considerarse un elemento, solo hasta que se pudiera convertirla en dos ó mas sustancias aún más simples todavía.

DESARROLLO HISTÓRICO DE LA IDEA DE LA PERIODICIDAD QUÍMICA

El descubrimiento de nuevos elementos, aparte de los nueve conocidos desde la antigüedad y de los cinco estudiados por los alquimistas medievales, se incrementó de manera impresionante a partir de mediados del siglo XVIII, a tal punto que en la primera década de 1800 se conocían unos cincuenta elementos diferentes. Sus propiedades variaban extensamente entre sí, y no parecía existir alguna relación entre ellos. Para  esa época, algunos químicos se preguntaban cual sería el número de elementos existentes en la naturaleza, y por ende cuantos elementos quedaban aún por descubrir.

También algunos de ellos buscaban una manera de poner en orden los elementos ya conocidos, esperanzados en hallar alguna razón que explicase su número, y de alguna manera justificar la gran diversidad de propiedades que presentaban.

El químico francés Louis Bernard Guyton de Morveau desarrolló en 1772, la primera tabla de sustancias “químicamente simples”, la cual incluía todos los elementos conocidos, ordenándolos según sus nombres antiguos y relacionándolos con 8Elementos Químicos y sus  Propiedades Periódicas los nombres que tenían para esa fecha. En 1787, junto con sus colegas Antoine Laurent de Lavoisier Claude Louis Berthollet y Antoine François de Fourcroy publicaron el “Método de Nomenclatura Química”, en el cual se incluía su tabla anterior, y en la que los nuevos nombres dados a algunos de los elementos, tenían por objeto recordar sus propiedades más notables, independientemente de cualquier teoría. Así, oxígeno significaba “generador de ácidos”; hidrógeno significaba “generador de agua”; ázoe (más tarde llamado nitrógeno) significaba “sin vida”.

En 1815, el químico y médico inglés William Prout estableció una teoría en la que consideró que todos los elementos químicos estaban formados por agregados sucesivos de hidrógeno. Así, según él, sería posible dar un orden a los elementos conocidos, ya que el peso atómico de cada elemento de esta clasificación, correspondería al peso atómico del hidrógeno multiplicado por un número entero, en orden ascendente. Por fundamental que fuera la teoría de Prout, quedó desacreditada por las desviaciones observadas experimentalmente entre los pesos atómicos y los números enteros, y ya para 1860 las determinaciones más exactas de los pesos atómicos, condujeron a un abandono total de la misma.

Las primeras observaciones publicadas en relación con la periodicidad química, parecen haber sido las de un profesor de química alemán, en la Universidad de Jena, llamado Johann Wolfgang Dóbereiner. En 1817, reportó que había algunas “triadas” de elementos, que al ser ordenados en orden creciente de pesos atómicos, el elemento del medio parecía tener propiedades intermedias entre los dos de los extremos. Así, el cloro, bromo y yodo no solo mostraban una progresiva gradación en propiedades como color y reactividad, sino que el peso atómico del bromo parecía estar justo a medio camino entre los del cloro y el yodo. Dóbereiner llegó a encontrar otros dos grupos de tres elementos que exhibían claras gradaciones de propiedades: calcio, estroncio y bario; y azufre, selenio y teluro. En ambos grupos, el peso atómico del segundo elemento, era aproximadamente el promedio de los otros dos elementos.Pero el hecho de que la mayoría de los elementos conocidos hasta la fecha no pudieran.

TRIADAS DE DOBEREINER

Estas ideas no cayeron en el total olvido, ya que en 1827, el afamado químico alemán Leopold Gmelin en la Universidad de Heilderberg, al investigar sobre los nuevos elementos descubiertos hasta la fecha, logró encontrar otros grupos de tres elementos que cumplían con el concepto de Dobereiner.

Volvió a presentar nuevos grupos de elementos que podían considerarse como “triadas”. Gmelin fue el único químico bien conocido para la época, que estudió antes de 1850, el problema de la periodicidad de los elementos.

Max von Pettenkofer químico y bacteriólogo alemán, en la Universidad de Munich, revivió de alguna manera la hipótesis de Prout acerca de la materia primaria, al sugerir que entre los elementos químicamente semejantes, las diferencias sucesivas de pesos atómicos eran constantes o eran múltiplos de una constante. Esto en realidad equivale a afirmar que entre dichos elementos, los pesos atómicos pueden derivarse mediante una progresión aritmética modificada, que depende del peso atómico más bajo y de múltiplos de un entero. Así, en la serie oxígeno (16), azufre (32), selenio (86) y teluro (128), la diferencia entre los dos primeros es 16, lo cual equivale a 2 x 8, y entre los otros dos es 48, o sea 6 x 8.

el también químico inglés William Odling  ordenó los cincuenta y siete elementos entonces conocidos en trece grupos, basándose en las semejanzas entre las propiedades químicas y físicas, colocando a los miembros de cada grupo en 10Elementos Químicos y sus  Propiedades Periódicas orden de sus pesos atómicos. Aún cuando este esquema situaba junto a los elementos más parecidos, no ponía de relieve las relaciones entre los pesos atómicos y las características químicas. La ordenación de Odling, semeja más a los grupos que hoy se  utilizan en Química Analítica, ya que colocó  juntos a los elementos que formaban compuestos de solubilidades semejantes.

Jean-Baptiste Dumas  químico francés, en la Universidad de la Sorbona, comparó en 1851, las familias de los elementos con las familias de los compuestos  orgánicos. El retomó la idea de Pettenkofer y luego refinó su sistema incluyendo  algunas complicadas progresiones aritméticas. Extendió las triadas de Dobereiner en familias de cuatro elementos: F,Cl, Br, I; Mg, Ca, Sr, Ba.

Aunque en los próximos años se descubrieron nuevos elementos, y se incrementó el conocimiento químico en forma notable, no fue sino hasta 1862, en que el geólogo francés Alexander Emile Beguyer de Chancourtois desarrolló un sistema en el que los elementos estaban ordenados en forma creciente según su peso atómico, distribuidos en forma de espiral a lo largo de la superficie de un cilindro. Cada vuelta Contenía 16 elementos (ya que se tomó como referencia al oxígeno cuyo peso atómico Era 16 unidades atómicas de masa) y el observó que existía una gran similar dad entre Los elementos que se encontraban uno bajo otro en la misma línea vertical (los cuales Tenían entre sí, una diferencia de 16 unidades atómicas de masa). El llamó a esta Representación cilíndrica un “tornillo telúrico” y presentó un modelo ante la Academia Francesa, pero su trabajo también pasó inadvertido.

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/ricardo/PDF/Los%20Elementos%20Quimicos%20y%20su%20Periodicidad.pdf