Características de los elementos

    Además del número atómico, el número másico, el peso atómico y demás parámetros que determinan la diferenciación entre los distintos elementos, es necesario considerar también ciertas magnitudes que caracterizan a cada uno de ellos y que, en muchos casos, guardan correlación directa con la posición que ocupan en la tabla periódica. Desde el símbolo del elemento, que constituye por así decirlo la seña de identidad con la que se le identifica en la formulación química, hasta variables como la valencia, el estado de oxidación, el potencial de ionización o los puntos de fusión y ebullición, son diversas las nociones que sirven para conocer el comportamiento químico y físico de los más de 110 cuerpos simples incluidos en la tabla.

    Tales variables suelen diferenciarse en dos grupos: uno que engloba las características químicas y otro que configura los rasgos físicos más significados del elemento. De forma unitaria, se suelen considerar propiedades periódicas como el volumen atómico, el radio atómico y el iónico, el potencial de ionización, la afinidad electrónica y la electronegatividad.

    Algunas de las principales características químicas

    A la hora de tipificar un elemento químico, existen parámetros como el número atómico o la masa atómica que suponen la base para su clasificación según la ley periódica. No obstante, hay otros rasgos que complementan la información sobre la naturaleza química de ese elemento y aportan una visión de conjunto sobre su propia forma de designación en el ámbito químico o sobre los mecanismos que pone en juego al reaccionar con otros átomos. En tal contexto cabe incluir las nociones de nomenclatura simbólica, abundancia cósmica, valencia y estado de oxidación.

    Nomenclatura simbólica. Los nombres de los elementos tienen orígenes muy diversos. Los conocidos desde la antigüedad son generalmente de etimología griega o latina. Por ejemplo, el cobre, fue designado en la antigua Roma como metal de Chipre, Cyprium, isla que era la principal fuente de abastecimiento de este metal, cuyo nombre quedó más tarde transformado en cuprum. Los primeros químicos experimentales también se sirvieron del griego y del latín para designar los elementos que descubrían. Por ejemplo Lavoisier dio nombre al hidrógeno, «generador de agua». Otras denominaciones obedecen a criterios geográficos, mitológicos o incluso astronómicos. Así, el polonio procede de Polonia, en homenaje a Marie Curie, originaria de aquel país; el titanio fue así llamado rememorando a los titanes de la mitología helénica, y al uranio se le asignó nombre del planeta Urano, descubierto poco antes que el mineral radiactivo. Los elementos hallados o sintetizados más recientemente suelen llevar denominaciones establecidas en honor de grandes figuras de la ciencia: tal es el caso del einstenio o el nobelio, así nombrados en homenaje a Albert Einstein y Alfred Nobel.

    Albert Einstein, uno de los grandes renovadores del pensamiento científico del siglo XX, fue homenajeado en el ámbito de la química al asignársele el nombre de einstenio, al elemento de número atómico 99.

    Con independencia del origen de sus nombres, los elementos se han asociado desde antiguo a símbolos, que eran signos alegóricos en la práctica alquímica y que, en el siglo XIX, fueron unificados en un sistema basado en el uso de la primera letra del nombre del elemento, seguida de una segunda diferenciadora en caso de repetición. El sistema, elaborado por el sueco Jöns Jacob Berzelius, mantiene alguna de las denominaciones grecorromanas de elementos como el mercurio, de símbolo Hg, correspondiente al hydrargyrium, la «plata líquida» de los alquimistas.

    Abundancia cósmica. El registro de la presencia porcentual de los elementos en la estructura química de la Tierra y del universo proporciona un rango de la importancia química de dicho elemento como constituyente de la materia. La medida de la abundancia puede referirse a la Tierra, al Sistema Solar, a los meteoritos, a las galaxias o a todo el universo. Para determinar la composición terrestre, se emplean técnicas analíticas convencionales, incluidas tecnologías avanzadas para la detección de elementos traza, como la dilución isotópica, y para conocer las de los cuerpos celestes se recurre a análisis espectroscópicos de las radiaciones que éstos emiten y de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra. Sobre esta base, se ha determinado que los elementos más abundantes en la corteza terrestre son el oxígeno, el silicio, el hierro, el calcio, el sodio y el magnesio, mientras que en la composición del conjunto del universo predomina el hidrógeno, que constituye en torno al 75% de la materia (si bien las estimaciones al respecto oscilan dentro de amplios márgenes), siendo los más abundantes a continuación helio, carbono, nitrógeno y oxígeno.

    Valencia. La valencia es la propiedad de un elemento que determina el número de otros átomos con los que dicho elemento puede combinarse. En realidad, se trata de asignar a través de ella un valor numérico a la capacidad de combinación del átomo.

    Así, por ejemplo, en la molécula de agua, H2O, la valencia de los dos átomos de hidrógeno es 1 mientras que la del de oxígeno es 2, en tanto que en la de cloruro sódico, ClNa, los dos átomos de la molécula presentan valencia 1.

    El valor de la valencia no es siempre el mismo para cada átomo. Por ejemplo, en el metano, CH4 el carbono presenta valencia 4 y el hidrógeno valencia 1, mientras que en el metileno, =CH2, la valencia del carbono respecto al hidrógeno es 2.

    Estado de oxidación. El concepto de estado de oxidación, o número de oxidación, es afín al de valencia y designa el número total de electrones que un átomo gana o pierde para formar un enlace químico con otro átomo.

    Cuando un átomo neutro cede un electrón se forma un ion de carga positiva o catión, al que se designa como monopositivo y cuyo estado de oxidación es +1. Si el átomo toma un electrón, el ion formado es mononegativo y se denomina anión, con estado de oxidación –1. Análogamente, se puede ceder o captar dos, tres o más electrones dando lugar a los correspondientes estados de oxidación.

    Algunos elementos presentan siempre un mismo número de oxidación, caso del flúor (–1), y otros pueden tener estados de valor variable. Por ejemplo, el nitrógeno cuenta con valores que oscilan entre –3, en la molécula de amoniaco, NH3, y +5, en la de ácido nítrico, HNO3.

    El gráfico esquematiza las abundancias relativas de los átomos de número atómico comprendidos entre 1, hidrógeno, y 92, uranio.

    En los átomos que presentan varios estados de oxidación, su magnitud se indica en números romanos entre paréntesis. Así, por ejemplo, el hierro es Fe(II) en la molécula de óxido ferroso, FeO, y Fe(III) en la de óxido férrico, Fe2O3.

    Algunas de las principales características físicas

    Junto a las propiedades periódicas específicas mencionadas al inicio y a las de naturaleza química, las restantes características que tipifican a los átomos de los distintos elementos son las de naturaleza física, necesarias, no obstante, para su estudio desde el punto de vista químico. Entre las más significativas cabe citar la densidad, los puntos de fusión y ebullición y las conductividades eléctrica y térmica.

    Densidad. La densidad, d, es la relación que se establece entre la masa de un elemento, m, y el volumen, v, que éste ocupa en el espacio. Desde el punto de vista matemático corresponde al cociente entre ambas magnitudes

    D = m/v

    En el Sistema Internacional, la unidad de medida de densidad es el kilogramo por metro cúbico, kg/m3, y el valor unitario corresponde a la densidad del agua, 1.000 kg/m3 o 1 kg/l, a 1 atmósfera de presión y 4 °C de temperatura.

    Si no se especifica otra cosa, los valores de densidad corresponden a la llamada densidad absoluta de masa, también llamada masa específica, si bien también se emplean valores de la denominada densidad relativa, la cual corresponde a la comparación de la densidad absoluta con la del agua, para elementos sólidos y líquidos o con la del aire (1,29 kg/m3) para elementos gaseosos. Los elementos más densos son metales de transición como el osmio, el iridio y el platino y los menos densos el hidrógeno, el helio y el litio.

    Puntos de fusión y ebullición. El punto de fusión es la temperatura a la que un elemento pasa del estado sólido al líquido a 1 atmósfera de presión, en tanto que el de ebullición es aquel en el que se produce la transición de la fase líquida a la gaseosa.

    En el Sistema Internacional la unidad para determinar ambos valores es el kelvin, k, aunque la escala centígrada está muy extendida por lo que es frecuente hallar valores expresados en °C.

    Los elementos de alta conductividad eléctrica y elevada resistencia constituyen la base material de las redes de alta tensión a través de las cuales se difunde la electricidad.

    Los valores máximos de punto de fusión corresponden a elementos de transición como el tungsteno, el renio o el osmio, y al carbono, debido a la estructura de su red cristalina, mientras que los de ebullición corresponden también a los elementos de transición siendo algo inferior el del carbono. Los mínimos son en ambos casos los del hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el flúor y los gases nobles.

    Conductividades eléctrica y térmica. Estos términos corresponden a las medidas de las respectivas capacidades de los elementos para conducir la corriente eléctrica o el calor. Ambas son máximas en la plata, el cobre y el oro, mientras que presentan valores nulos o insignificantes en elementos como el nitrógeno, el oxígeno, el flúor o los gases nobles.