Actínidos

Los actínidos son un grupo de elementos que incluye:

• Actinio (Ac)
• Torio (Th)
• Protactinio (Pa)
• Uranio (U)
• Neptunio (Np)
• Plutonio (Pu)
• Americio (Am)
• Curio (Cm)
• Berkelio (Bk)
• Californio (Cf)
• Einsteinio (Es)
• Fermio (Fm)
• Mendelevio (Md)
• Nobelio (No)
• Lawrencio (Lr)

Son elementos del periodo 7 que llenan orbitales 5f, teniendo las capas 6 y 7 incompletas. Por lo tanto, sus propiedades químicas son muy parecidas entre sí y a las de los lantánidos, salvo que presentan un mayor número de estados de oxidación, pues los electrones 5f están más alejados del núcleo.

En la naturaleza, solo se encuentran actinio, torio, protactinio, uranio, neptunio, plutonio y americio en los minerales de uranio como miembros de las series de desintegración.

Reaccionan fácilmente con el hidrógeno, cloro, oxígeno y nitrógeno, presentando diferentes estados de oxidación, aunque el estado +3 es común a todos ellos.

Halógenos (Grupo 17)

Los halógenos son los elementos no metálicos que se encuentran en el Grupo 17 de la Tabla Periódica:

• Flúor (F)
• Cloro (Cl)
• Bromo (Br)
• Yodo (I)
• Astato (At)
• Téneso (Ts) (anteriormente Ununseptio)

Se presentan en moléculas diatómicas (F₂, Cl₂, etc.) cuyos átomos se mantienen unidos por un enlace covalente simple. La fortaleza del enlace disminuye al aumentar el número atómico.

Los halógenos tienen 7 electrones en su capa más externa (configuración ns²np⁵), lo que les confiere un número de oxidación común de -1. Son enormemente reactivos (oxidantes), y su reactividad disminuye según aumenta el número atómico (de flúor a astato).

Metales Alcalinotérreos (Grupo 2)

El nombre del grupo de los metales alcalinotérreos proviene de su situación entre los metales alcalinos y los elementos térreos, y del hecho de que sus «tierras» (nombre antiguo para los óxidos de calcio, estroncio y bario) son básicas (álcalis).

Son metales ligeros con colores que van desde el gris al blanco, y con dureza variable (el berilio es muy duro y quebradizo, mientras que el estroncio es muy maleable).

Sus propiedades son intermedias a las de los grupos entre los que se encuentran: sus óxidos son básicos (aumentando la basicidad según aumenta el número atómico) y sus hidróxidos (excepto el de berilio, que es anfótero) son bases fuertes, similares a los de los alcalinos. Sin embargo, otras propiedades son parecidas a las del grupo de los térreos (Grupo 13).

Al exponerse al aire húmedo y en agua, forman hidróxidos (desprendiendo hidrógeno). En algunos casos, esta reacción es solo superficial, formando una capa que impide el posterior ataque o lo ralentiza (como ocurre con el berilio y el magnesio).

Reaccionan directamente con halógenos, hidrógeno (excepto berilio y magnesio, que requieren condiciones especiales), oxígeno, carbono, azufre, selenio y teluro, formando, con la excepción del berilio, compuestos mayoritariamente iónicos.

Se emplean en la tecnología nuclear (berilio) y en aleaciones de baja densidad, elevada solidez y estabilidad frente a la corrosión (berilio, magnesio).

Metales de Transición (Grupos 3-12)

Los 40 elementos de los grupos 3 al 12, situados en la parte central de la Tabla Periódica, se denominan metales de transición. Este nombre se debe a su carácter intermedio o de transición entre los metales de la izquierda (más electropositivos, como los alcalinos y alcalinotérreos) y los elementos de la derecha (más electronegativos, formadores de ácidos).

Una propiedad distintiva es que sus electrones de valencia, es decir, los que utilizan para combinarse con otros elementos, se encuentran en más de una capa: la última (orbitales s) y la penúltima (orbitales d), las cuales están energéticamente muy próximas.

El carácter no metálico y la capacidad de formación de enlaces covalentes aumentan según lo hace el número de oxidación del metal. Para compuestos de los mismos elementos en diferentes proporciones, es más iónico aquel que tiene el metal en su estado de oxidación inferior.

Por la misma razón, los óxidos e hidróxidos en los estados de oxidación superiores son más ácidos que los mismos compuestos con estados de oxidación inferiores del mismo elemento, mientras que los compuestos con números de oxidación intermedios son anfóteros.

Tres elementos que destacan son el hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni), con interesantes propiedades magnéticas (son ferromagnéticos). Estos corresponden a los elementos cabecera de los grupos 8, 9 y 10, que antiguamente constituían el grupo VIII, subdividido en tres tríadas verticales.

Grupo 3 (Familia del Escandio)

Con tres electrones de valencia (2 electrones s de la última capa y 1 electrón d de la capa penúltima), se parecen a los elementos del grupo 13. Son menos nobles, y este carácter disminuye al aumentar el número atómico.

Sus óxidos reaccionan con el agua formando hidróxidos, cuya fortaleza como base aumenta con el número atómico, siendo más fuertes que los hidróxidos del grupo 2.

Grupo 4 (Familia del Titanio)

Con cuatro electrones de valencia (2 electrones s de la última capa y 2 electrones d de la penúltima), sus propiedades son parecidas a las del grupo 3, excepto que el número de oxidación principal que presentan es +4.

La existencia de los lantánidos (contracción lantánida) hace que el hafnio (Hf) tenga una carga nuclear efectiva suficientemente grande como para atraer fuertemente sus electrones. Esto provoca que su tamaño (radio atómico e iónico) sea semejante al del circonio (Zr). Son los elementos más parecidos dentro de un grupo del sistema periódico, lo que dificulta su separación.

Son menos nobles que los elementos del grupo 14, aunque no lo parezca a temperatura ambiente, pues se recubren de una capa de óxido protectora, de forma que solo reaccionan con los no metales a altas temperaturas.

Grupo 5 (Familia del Vanadio)

Poseen cinco electrones de valencia (2 electrones s de la última capa y 3 electrones d en la penúltima).

La diferencia de tamaño (radio atómico e iónico) entre el niobio (Nb) y el tántalo (Ta) es pequeña debido a la contracción lantánida, por lo que sus propiedades son muy parecidas (aunque no tanto como ocurre en el grupo 4) y se encuentran juntos en los mismos minerales.

Son poco nobles, aunque el recubrimiento por una capa superficial de óxido provoca una inercia química que es superada a altas temperaturas.

Grupo 6 (Familia del Cromo)

Tienen seis electrones de valencia (generalmente 2 electrones s de la última capa y 4 electrones d de la penúltima, aunque hay excepciones como Cr y Mo con configuración s¹d⁵).

Son poco nobles, pero se recubren de una capa de óxido a temperatura ambiente que los protege del posterior ataque y los hace bastante inertes químicamente.

Sus carburos son muy duros y se emplean como abrasivos. Sus sulfuros tienen una estructura en capas que los hace útiles como lubricantes térmicamente estables.

Grupo 7 (Familia del Manganeso)

Poseen siete electrones de valencia (2 electrones s en la última capa y 5 electrones d en la penúltima).

Aunque es menos acusada, en este caso también se nota el efecto de la contracción lantánida en el parecido entre el tecnecio (Tc) y el renio (Re) en cuanto a tamaño (radio atómico e iónico) y propiedades, siendo el manganeso (Mn) más diferente. Son elementos con múltiples estados de oxidación.

Grupos 8, 9 y 10 (Tríadas del Hierro y Metales del Platino)

Estos grupos presentan las siguientes configuraciones de electrones de valencia (aproximadas, ya que hay variaciones para alcanzar subcapas d más estables):

• Grupo 8 (Familia del Hierro): 8 electrones de valencia (2 electrones s de la última capa y 6 electrones d de la penúltima).
• Grupo 9 (Familia del Cobalto): 9 electrones de valencia (2 electrones s de la última capa y 7 electrones d de la penúltima).
• Grupo 10 (Familia del Níquel): 10 electrones de valencia (a menudo 1 electrón s y 9 d, o 0 s y 10 d para Pd, Pt).

En estos tres grupos (antiguo grupo VIII, dividido en tres subgrupos o tríadas) se puede distinguir entre:

• Los tres elementos cabecera: hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni).
• Los seis restantes, conocidos como los metales del grupo del platino (los elementos transactínidos de estos grupos son artificiales y generalmente no se consideran en estas discusiones generales).

El estado de oxidación máximo que se alcanza es +8 (rutenio y osmio), aunque para el hierro es +6, que es menor que el número de electrones de valencia o número del grupo. Según aumenta el número atómico dentro de una tríada (ej. Fe, Co, Ni), disminuye la estabilidad de los números de oxidación altos; por ejemplo, el níquel presenta predominantemente el estado de oxidación +2.

Subgrupo del Platino

Dentro de los metales del grupo del platino, se distinguen dos subgrupos:

• Metales ligeros del platino (segunda serie de transición, 5º periodo): rutenio (Ru), rodio (Rh) y paladio (Pd), con densidades poco mayores de 12 g/cm³.
• Metales pesados del platino (tercera serie de transición, 6º periodo): osmio (Os), iridio (Ir) y platino (Pt), con densidades mayores de 21 g/cm³.

Ocurrencia y Propiedades:

Se encuentran en yacimientos primarios, normalmente como sulfuros junto a hierro, cobre, níquel y cromo, y en yacimientos secundarios (placeres) originados por la meteorización de los primarios, en los que se encuentran en estado nativo debido a su elevada densidad, lo que provoca una deposición conjunta.

A pesar de la diferencia en las estructuras electrónicas (ocupación de orbitales d), los elementos son bastante semejantes entre sí; los electrones d parecen influir poco en sus propiedades macroscópicas en este contexto.

Ellos constituyen, junto con el oro (Au) y la plata (Ag), el grupo de los metales nobles o preciosos: son bastante inertes y resistentes a la corrosión.

Los elementos pesados del grupo del platino no son atacados por los ácidos minerales no oxidantes y solo parcialmente por los oxidantes, pero se disuelven con facilidad en fundidos alcalinos oxidantes (como mezclas de hidróxidos alcalinos con nitratos o peróxidos).

Aplicaciones:

Se emplean en aleaciones duras, estables a la corrosión, como catalizadores, en conductores eléctricos, materiales resistentes a la fricción, prótesis dentarias y joyería.

Grupo 11 (Metales de Acuñación)

Los elementos del Grupo 11 (cobre, plata y oro) son metales nobles (especialmente Ag y Au) con altos puntos de fusión. Se encuentran a menudo en estado nativo (excepto el roentgenio, que es artificial) y forman combinaciones bastante insolubles.

Debido a su configuración electrónica (d¹⁰s¹), que es bastante estable, son más nobles que los elementos del Grupo 2. Su nobleza aumenta según crece el número atómico. Presentan puntos de fusión y ebullición relativamente altos, carácter covalente en algunos de sus enlaces, compuestos a menudo insolubles y una marcada tendencia a la formación de complejos.

Son dúctiles y maleables. Aunque son metales de transición, el estado de oxidación +1 es común y estable, donde solo participa el electrón s externo. También presentan estados de oxidación superiores (+2 para Cu, +3 para Au).

Grupo 12 (Familia del Zinc)

Los elementos del Grupo 12 (zinc, cadmio y mercurio) tienen una configuración electrónica d¹⁰s². Son menos nobles que los del Grupo 11 y tienen puntos de fusión y ebullición más bajos. El mercurio es líquido a temperatura ambiente.

Son dúctiles y maleables (excepto el mercurio). Se diferencian de la mayoría de los metales de transición en que predominantemente utilizan solo los electrones s de su capa más externa para el enlace, presentando un estado de oxidación común de +2. Sus propiedades a veces los asemejan más a los metales post-transición.

Características Generales de Algunos Metales del Bloque p

Para los metales situados en los grupos 13 al 16 (metales post-transición), se observan las siguientes tendencias en los números de oxidación:

• Grupo 13: +1 y +3
• Grupo 14: +2 y +4
• Grupo 15: +3 y +5 (para los elementos más metálicos como el bismuto)
• Grupo 16: +2, +4 y +6 (para los elementos más metálicos como el polonio)

El carácter no metálico y la capacidad de formación de enlaces covalentes aumentan con el número de oxidación del metal. Así, los óxidos e hidróxidos en los estados de oxidación superiores son más ácidos que los mismos compuestos en estados de oxidación inferiores del mismo elemento, mientras que los compuestos con números de oxidación intermedios suelen ser anfóteros.

Gases Nobles (Grupo 18)

Estos elementos se consideraron inertes hasta 1962, debido a que su estado de oxidación es 0 y poseen una configuración electrónica de capa cerrada con 8 electrones en su última capa (ns²np⁶, excepto el helio con 1s²), lo que les confiere una gran estabilidad e impide que formen compuestos fácilmente.

Descubrimiento

En 1868, Jannsen descubrió el helio. A partir de 1894, Ramsay, Travers y Rayleigh aislaron e identificaron los demás gases nobles (neón, argón, criptón, xenón), excepto el radón, que fue descubierto por Dorn en 1898 y aislado por Ramsay y Gray en 1908.

Compuestos y Usos

Posteriormente, se han obtenido compuestos de criptón, xenón y radón con elementos muy electronegativos como flúor, cloro, oxígeno y nitrógeno. También forman compuestos físicos llamados clatratos, que son disoluciones sólidas en las que ciertos átomos o moléculas de gas noble están atrapados en los espacios de un retículo cristalino de otra sustancia.

Su uso principal está en iluminación:

• Tubos de descarga: helio (color marfil), neón (rojo), argón (azul rojizo), criptón (azul verdoso) y xenón (violeta).
• Bombillas incandescentes: criptón y xenón, que impiden la difusión térmica del metal del filamento, aumentando la temperatura de trabajo y el rendimiento luminoso.

Otros usos incluyen:

• Creación de atmósferas inertes en soldadura y corte (argón).
• Relleno de globos (helio).
• Gases de inmersión para buceo (helio, en mezclas con oxígeno).
• Refrigerantes para bajas temperaturas y aplicaciones en superconductividad (helio líquido, neón líquido).

Pnictógenos (Grupo 15)

La configuración electrónica de los elementos del Grupo 15 (nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio, bismuto) muestra que poseen cinco electrones de valencia (ns²np³). Sin embargo, sus propiedades difieren notablemente del primer elemento al último.

Variación de Propiedades

Las propiedades metálicas se incrementan desde el nitrógeno (no metal, gas diatómico N₂) hasta el bismuto (metal pesado). Las modificaciones alotrópicas negra del fósforo y gris del arsénico y antimonio presentan algunas propiedades metálicas.

Esto se traduce en una disminución de los puntos de fusión a partir del arsénico, pues disminuye el carácter covalente de los enlaces y aumenta el carácter metálico.

Estados de Oxidación y Compuestos

Frente a los elementos electropositivos (como hidrógeno y metales), presentan el estado de oxidación -3 (ej. NH₃, PH₃), aunque la estabilidad de estos compuestos disminuye según crece el número atómico. Frente a los elementos electronegativos (como oxígeno, azufre y halógenos), los estados de oxidación más comunes son +3 y +5. La estabilidad del estado +5 disminuye hacia los elementos más pesados (efecto del par inerte), mientras que la del +3 aumenta.

Con el oxígeno, se forman óxidos con número de oxidación +3 y +5. El nitrógeno es una excepción, ya que forma óxidos en todos los estados de oxidación comprendidos entre +1 y +5 (principalmente N₂O (+1), NO (+2), N₂O₃ (+3), NO₂/N₂O₄ (+4), N₂O₅ (+5)).

Usos en Estado Elemental

• Nitrógeno: se emplea como gas inerte en soldadura y conservación.
• Arsénico y antimonio: como semiconductores.
• Fósforo: en pirotecnia, cerillas y fertilizantes.

Calcógenos o Anfígenos (Grupo 16)

El nombre calcógeno proviene del griego y significa «formador de minerales», ya que una gran parte de los constituyentes de la corteza terrestre son óxidos o sulfuros. Este grupo incluye oxígeno, azufre, selenio, telurio y polonio.

El polonio es muy raro, siendo un producto intermedio de corto período de semidesintegración en las series de desintegración radiactiva; su abundancia en la corteza es extremadamente baja (aproximadamente 2.1 x 10^-14%).

Su configuración electrónica presenta seis electrones de valencia (ns²np⁴).

Los estados de oxidación más usuales son -2 (especialmente para oxígeno y azufre), +2, +4 y +6. Los estados de oxidación positivos +4 y +6 se deben a la posibilidad de utilizar orbitales d para el enlace a partir del azufre.

El oxígeno es fundamental en todos los procesos de oxidación (combustiones, metabolismo de los seres vivos) y es la base de numerosos procesos industriales.

Grupo del Carbono (Grupo 14)

Las propiedades físicas y químicas de los elementos del Grupo 14 (carbono, silicio, germanio, estaño, plomo) varían mucho desde el primero al último. El carbono es un no metal que forma compuestos predominantemente covalentes. El silicio y el germanio son metaloides. El estaño y el plomo son metales. Por ejemplo, el carbono en su forma de diamante es muy duro, mientras que el plomo puede ser rayado con las uñas.

Poseen cuatro electrones de valencia (ns²np²), por lo que los estados de oxidación que presentan son principalmente +4, +2 y -4 (este último en carburos y siliciuros). Los compuestos con estado de oxidación +4 y la mayoría de los de estado de oxidación +2 son covalentes, aunque el carácter iónico aumenta para los metales más pesados en estado +2.

Los óxidos de carbono y silicio (CO₂, SiO₂) son ácidos. Los óxidos de germanio son anfóteros con predominio ácido. Los óxidos de estaño (SnO, SnO₂) y plomo (PbO, PbO₂) son anfóteros (reaccionan con ácidos y bases calientes).

Elementos Representativos (Grupos 1, 2 y 13-18)

Se denominan elementos representativos a los elementos de los grupos 1 y 2 (bloque s) y de los grupos 13 al 18 (bloque p). Se caracterizan por tener sus electrones de valencia (los de la última capa) en orbitales s (grupos 1 y 2) o en orbitales s y p (grupos 13 al 18).

Estos elementos muestran, en general, variaciones distintivas y muy regulares de sus propiedades con el número atómico. Por ejemplo, el carácter metálico aumenta de arriba hacia abajo dentro de cada grupo y de derecha a izquierda en cada periodo.

Grupo del Boro (Grupo 13)

Los elementos del Grupo 13 (boro, aluminio, galio, indio, talio) constituyen más del 7% en peso de la corteza terrestre, destacando el aluminio, que es el metal más abundante y el tercer elemento más abundante después del oxígeno y el silicio.

Ocurrencia

La mayoría de sus minerales son óxidos e hidróxidos. En el caso del galio, indio y talio, se encuentran frecuentemente asociados con sulfuros de plomo y zinc.

Configuración Electrónica y Propiedades

Su configuración electrónica muestra tres electrones de valencia (ns²np¹), por lo que el estado de oxidación principal que alcanzan es +3. El talio también presenta un estado de oxidación estable +1 (efecto del par inerte).

Esto se traduce en una gran diferencia de propiedades a lo largo del grupo: el boro es un metaloide duro (dureza entre el corindón y el diamante), mientras que el talio es un metal tan blando que puede arañarse con las uñas.

Reactividad

Estos elementos no reaccionan de modo apreciable con el agua a temperatura ambiente. Aunque el aluminio puro sí reacciona con agua desprendiendo hidrógeno, forma rápidamente una capa de óxido protectora (Al₂O₃) que impide la continuación de la reacción.

Son buenos reductores, especialmente el aluminio. Este se emplea en la aluminotermia para la obtención de otros metales a partir de sus óxidos, ya que se desprende una gran cantidad de energía al formarse Al₂O₃.

Aplicaciones en Estado Puro

• Boro: industria nuclear (absorbente de neutrones), semiconductores (dopado) y aleaciones.
• Aluminio: aleaciones ligeras y resistentes a la corrosión, conductores eléctricos.
• Galio: semiconductores (arseniuro de galio, nitruro de galio), termómetros de alta temperatura.
• Indio: aleaciones de bajo punto de fusión, semiconductores, recubrimientos.
• Talio: fotocélulas, vidrios especiales (aunque su uso está restringido por su toxicidad).