Comprender la tabla periódica a través de la lente de los metales volátiles del Grupo I

Profesor Emérito de Química y Biología Química, IUPUI

Erwin Boschmann no trabaja, consulta, posee acciones ni recibe financiación de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no ha revelado afiliaciones relevantes más allá de su nombramiento académico.

La Universidad de Indiana proporciona financiación como miembro de The Conversation US.

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Se supo que un vagón de ferrocarril, cargado con sodio puro, acababa de descarrilar y estaba derramando su contenido. Un periodista de televisión me llamó para que me explicara por qué a los bomberos no se les permitió usar agua para apagar las llamas del coche destrozado. Mientras estaba en el aire agregué un poco de sodio a un poco de agua en una placa de Petri y observamos la reacción viciosa. Para lograr un mayor efecto dramático, también coloqué un poco de potasio en agua y sorprendí a todos con las explosivas llamas azuladas.

Debido a que los metales del grupo I, también conocidos como metales alcalinos, son muy reactivos, como el sodio del vagón o el potasio, no se encuentran en la naturaleza en forma pura, sino sólo como sales. No sólo son muy reactivos, sino que son suaves y brillantes, se pueden cortar fácilmente incluso con un cuchillo sin filo y son los más metálicos de todos los elementos conocidos.

Soy un químico que dedicó su carrera a construir nuevas moléculas, a veces utilizando elementos del Grupo I. Al estudiar el comportamiento y las tendencias de los elementos del Grupo I, podemos vislumbrar cómo está organizada la tabla periódica y cómo interpretarla.

La disposición de la tabla periódica y las propiedades de cada elemento en ella se basa en el número atómico y la disposición de los electrones que orbitan alrededor del núcleo. El número atómico describe la cantidad de protones en el núcleo del elemento. El número atómico del hidrógeno es 1, el del helio es 2, el del litio es 3 y así sucesivamente.

Cada una de las 18 columnas de la tabla se denomina grupo o familia. Los elementos del mismo grupo comparten propiedades similares. Y las propiedades se pueden asumir en función de la ubicación dentro del grupo. Al pasar de la parte superior del Grupo I a la parte inferior, por ejemplo, los radios atómicos (la distancia desde el núcleo a los electrones externos) aumentan. Pero la cantidad de energía necesaria para arrancar un electrón externo disminuye de arriba a abajo porque los electrones están más lejos del núcleo y no están sujetos con tanta fuerza.

Esto es importante porque la forma en que los elementos interactúan y reaccionan entre sí depende de su capacidad para perder y ganar electrones para formar nuevos compuestos.

Las filas horizontales de la tabla se llaman períodos. Moviéndose desde el lado izquierdo del período hacia la derecha, el radio atómico se vuelve más pequeño porque cada elemento tiene un protón y un electrón adicionales. Más protones significa que los electrones son atraídos con más fuerza hacia el núcleo. Por la misma razón, la electronegatividad (el grado en que un elemento tiende a ganar electrones) aumenta de izquierda a derecha.

La fuerza necesaria para eliminar el electrón más externo, conocida como potencial de ionización, también aumenta desde el lado izquierdo de la tabla, que tiene elementos con carácter metálico, hacia el lado derecho, que son no metales.

La electronegatividad disminuye desde la parte superior de la columna hacia la parte inferior. El punto de fusión de los elementos dentro de un grupo también disminuye desde la parte superior hacia la parte inferior de un grupo.

Como su nombre lo indica, los elementos del Grupo I ocupan la primera columna de la tabla periódica. Cada elemento inicia un nuevo período. El litio encabeza el grupo y le sigue el sodio, Na; potasio, K; rubidio, Rb; cesio, Cs y termina con el francio radiactivo, p. Debido a que es altamente radiactivo, prácticamente no se realiza ninguna química con este elemento.

Debido a que cada elemento en esta columna tiene un solo electrón externo en una nueva capa, los volúmenes de estos elementos son grandes y aumentan dramáticamente cuando se mueven de arriba a abajo del grupo.

De todos los elementos del Grupo I, el cesio tiene los volúmenes más grandes porque el electrón más externo está suelto.

A pesar de estas tendencias, las propiedades de los elementos del Grupo I son más similares entre sí que las de cualquier otro grupo.

Utilizando las propiedades químicas como guía, el químico ruso Dimitri Mendeleev ordenó correctamente los primeros elementos del Grupo I en su tabla periódica de 1869. Se llama periódico porque cada octavo elemento repite las propiedades del que está encima en la tabla. Después de ordenar todos los elementos entonces conocidos, Mendeleev tomó la audaz medida de dejar espacios en blanco donde su extrapolación de propiedades químicas mostraba que un elemento debería existir. El descubrimiento posterior de estos nuevos elementos demostró que su predicción era correcta.

Algunos metales alcalinos se conocen y se les da buen uso mucho antes de que Mendeleev creara la tabla periódica. Por ejemplo, el Antiguo Testamento menciona la sal, una combinación del metal alcalino sodio con cloro, 31 veces. El Nuevo Testamento se refiere a él 10 veces y llama al carbonato de sodio “neter” y al nitrato de potasio “salitre”.

Desde la antigüedad se sabe que las cenizas de madera producen una sal de potasio que, combinada con grasa animal, produce jabón. Samuel Hopkins obtuvo la primera patente estadounidense el 31 de julio de 1790 para el jabón en virtud del nuevo estatuto de patentes que acababa de promulgar el presidente George Washington unos meses antes.

La industria pirotécnica adora estos elementos del Grupo I por sus colores vibrantes y su naturaleza explosiva. La quema de litio produce un vivo color rojo carmesí; el sodio uno amarillo; lila de potasio; rojo rubidio; y violeta de cesio. Estos colores se producen cuando los electrones saltan de su entorno de origen, orbitan alrededor del núcleo y regresan.

El reloj atómico de cesio, el reloj más preciso jamás desarrollado, funciona midiendo la frecuencia de los electrones de cesio que saltan entre estados de energía. Los relojes basados ​​en el salto de electrones proporcionan una forma extremadamente precisa de contar segundos.

Otras aplicaciones incluyen lámparas de vapor de sodio y baterías de litio.

En mi propia investigación he utilizado metales del Grupo I como herramientas para realizar otras actividades químicas. Una vez necesitaba alcohol absolutamente seco, y el más seco que pude comprar todavía contenía diminutas trazas de agua. La única forma de eliminar el último resto de agua era tratar el alcohol que contenía agua con sodio, una forma bastante espectacular de eliminar el agua.

Los elementos alcalinos no sólo ocupan la primera columna de la tabla periódica, sino que también muestran la mayor reactividad de todos los grupos de toda la tabla y tienen las tendencias más dramáticas en volumen y potencial de ionización, al tiempo que mantienen una gran similitud entre ellos.