03/08/2019

La Tabla Periódica

La UNESCO ha declarado el 2019 Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos, celebrando los 150 años de la tabla de Mendeleyev. Tengo todavía mi primera tabla, que debo haber comprado cuando tenía 13 años y que me produjo enorme fascinación:


Recientemente, preparando una charla para el ciclo de actividades que organizó el Centro Atómico Bariloche en celebración del aniversario, me sorprendió el tiempo transcurrido entre los eventos cruciales que involucran a la Tabla Periódica:

1814: Fraunhofer inventa el espectroscopio y observa líneas oscuras en el espectro del Sol y otras estrellas.
1835: Compte declara que jamás conoceremos la composición de las estrellas.
1860: Kirchoff y Bunsen descubren las leyes básicas de la espectroscopía, en particular que el espectro observado depende de la composición química de la fuente de luz. IYF, @AugusteCompteOK.
1869: Mendeleyev publica su tabla, mostrando que al ordenar los elementos químicos según peso atómico creciente sus propiedades químicas resultan periódicas.
1912: Rutherford, Geiger y Marsden descubren la estructura de los átomos (2000 años después de Demócrito).
1913: Bohr, que los visitó durante unos meses, propone por primera vez un modelo físico exitoso de los átomos (con los electrones en órbitas cuantizadas) y logra explicar el espectro del hidrógeno.
1926 en adelante: La "nueva" mecánica cuántica de Schroedinger, Heisenberg, Pauli y otros permite hacer modelos de los átomos mejores que los de Bohr: las órbitas no existen, los electrones ocupan unas nubes llamadas orbitales, se pueden calcular todos los espectros y explicar la estructura de la Tabla de Mendeleyev. ¡Éxito total, tras más de 100 años de esfuerzo y desarrollo teórico y experimental!

Los orbitales electrónicos son uno de esos detalles que desmienten la creencia muy difundida de que la física cuántica explica apenas el comportamiento del mundo microscópico. Es cierto: los átomos y los electrones son muy chiquitos. Pero la mecánica cuántica (así le decimos los físicos) explica el brillo del macroscópico tostador cuando lo prendemos cada mañana para el desayuno. Y los orbitales electrónicos explican las propiedades químicas de los elementos, las que le dan la periodicidad a la Tabla. La valencia, por ejemplo. Explica por qué el oxígeno tiene valencia -2 y el hidrógeno 1, de manera que el agua es H2O. Y el azufre, ocho lugares después del oxígeno, de nuevo -2.


Estos son los orbitales electrónicos de un átomo. Tienen distinta energía (filas) y momento angular (columnas). Son nubecitas de probabilidad, muy distintos de las órbitas "planetarias" de Bohr. Los electrones se ubican en ellos siguiendo una regla crucial*, el principio de exclusión de Pauli: no puede haber dos electrones en el mismo estado.

* Que evita que se amontonen toditos en la mínima energía, n = 1, l = 0, m = 0, el casillero de arriba a la izquierda en la figura.

Como los electrones tienen además dos valores posibles de spin (una propiedad que no tiene parangón en el mundo clásico), en cada orbital puede haber a lo sumo dos electrones, uno con cada spin. Agregando electrones se van completando orbitales, que forman capas anidadas alrededor de los núcleos. Sólo los electrones que queden en la capa más externa participan en las reacciones químicas, al ser compartidos por más de un átomo (hay toda una familia de orbitales electrónicos moleculares, equivalentes  a los atómicos). Como se ve en la figura, hay orbitales muy parecidos. Por ejemplo, si la capa externa es la de l = 0, m = 0 (la primera columna), el orbital es redondito. Todos los átomos que tengan su capa externa con 1 electrón en este orbital tendrán propiedades químicas parecidas. Los que tengan dos en este orbital serán parecidos entre ellos. Y así por el estilo.

Así que un detalle cuántico aparentemente trivial, el principio de Pauli, hace que el carbono tenga cuatro electrones disponibles para formar los grandes polímeros que permiten nuestra existencia: nuestras proteínas, grasas, hidratos de carbono y ácidos nucleicos; y también los plásticos, los combustibles, las bebidas...

Así que... a la Tabla Periódica y la mecánica cuántica, ¡salud!


El principio de exclusión vale para todas las partículas de materia, no sólo los electrones, y es lo que permite también la existencia de las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones. Las partículas de radiación (como los fotones) no lo obedecen, y es lo que permite el funcionamiento del láser que usamos para tocar DVDs, señalar el cielo o molestar al arquero.

La razón del principio de Pauli escapa a las pretensiones de este blog, pero para los curiosos diré que tiene que ver con ciertas simetrías de la función de onda. Las simetrías son lo más, en la física.

La ilustración de los orbitales atómicos es de la Wikipedia.

3 comentarios:

  1. Creo que tengo la misma tabla periódica de la imagen, la adquirimos en la secundaria, no es así?
    Interesante post.

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    1. Claro que sí. Creo que la compré en un barco librería, en el puerto. No recuerdo si fuimos juntos.

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  2. Que interesante iniciativa dedicar este año a la Tabla Periódica. Me gustó esa reseña de hechos importantes, como la mecánica cuántica, que algo especial, que me despierta interés, como la paradoja del gato.

    Saludos.

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