uv 2.1 la ordenació dels elements: construcció de les...

____________________________________Centre de Documentació i Experimentació en ciències

Univers i vida 1 Química en context

UV 2.1 La ordenació dels elements: construcció de les primeres taules periòdiques

Introducció

Una de les característiques dels científics és l’interès per classificar i buscar relacions de manera que aquestes puguin ser emprades per fer prediccions. Lothar Meyer a Alemanya i Dimitri Mendeleiev a Rússia, al mateix temps i independentment, van ser els primers en intentar ordenar els eleme.nts coneguts a la seva època basant-se en algunes de les seves propietats. Prenent com a fil conductor el procés d’ordenació dels elements tal i com va succeir històricament, ens trobem amb les mateixes regularitat detectades en la seva època per Döbereiner i Newlands i farem prediccions de nous elements i les seves propietats.

Amb el descobriment de nous elements trobarem la necessitat d’ampliacions i modificacions que es van dur a terme a les taules periòdiques inicials fins arribar a l’actual.

Una primera classificació

Activitat 1: En aquesta activitat classificareu els elements químics, intentant ordenar-los per grups que tinguin propietats semblants. La taula 1 de l’annex conté una sèrie de targetes, on s’especifica algunes propietats físiques i químiques d’un element. Retalleu les targetes i intenteu agrupar-les en columnes seguint els següents criteris:

a) Feu dos grans grups, un de metalls (que situareu a l’esquerra) i un altre de no metalls (que situareu a la dreta) deixant a part els semimetalls.

b) En cadascun dels grups anteriors, agrupeu en columnes els elements que presentin estats d’oxidació comuns, prioritzant els estats d’oxidació més freqüents.

c) Situeu els semimetalls en la columna de metalls o no metalls en la qual coincideixin millor el seu estat d’oxidació.

d) Col·loqueu els elements de cada columna en ordre creixent de les seves masses atòmiques relatives.

e) Intercanvieu les columnes de manera que els elements de cada fila també estiguin en ordre creixent de les seves masses atòmiques relatives.

f) Representeu la taula. Indiqueu els elements mitjançant el seu símbol. Anoteu la massa atòmica corresponent a sota del símbol i assenyaleu amb diferents colors els sòlids, els líquids i els gasos.

A la recerca de regularitats

Activitat 2: Observeu alguna relació entre el número de grup i els seus estats d’oxidació característics? Activitat 3: Observeu alguna relació entre les masses atòmiques de tres elements contigus situats en un mateix grup (columna)? Aquesta relació ja va ser observada el 1839 pel químic alemany Döbereiner i es coneix amb el nom de tríades de Döbereiner.

Figura 1.Mendeleiev en el seu laboratori.



Activitat 4: Quants elements hi ha entre un element i el següent del mateix grup, ambdós inclosos? Aquesta periodicitat va ser observada el 1864 pel químic anglès J. Newlands. Donada la similitud d’aquest fenomen i l’escala musical, va anomenar aquesta llei Llei de les octaves i la va enunciar de la següent manera: “L’octau element, partint d’un element donat, és una espècie de repetició del primer, com l’octava d’una nota musical” Activitat 5: Representeu gràficament en paper mil·limetrat la densitat, la temperatura de fusió i l’estat d’oxidació dels 17 primers elements que has classificat (H, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, i Ca) en funció de la seva massa atòmica. Preneu les dades de la densitat i temperatura de fusió de les corresponents taules de l’apèndix i l’estat d’oxidació de les targetes. Indiqueu en cada punt el símbol de l’element que es tracta. Com varia amb la massa atòmica les propietats d’aquests elements? La consideració d’aquesta periodicitat de les propietats físiques i químiques dels elements va ser la base de les taules de classificació que van ser publicades el 1869 per Lothar Meyer a Alemanya i Dimitri Mendeleiev a Rússia, treballant independentment.

La taula de Mendeleiev

Activitat 6: Abans d’estudiar la utilitat de la taula, afegirem a la nostra taula alguns dels elements més coneguts en l’època de Mendeleiev. Reconstruïu la taula obtinguda anteriorment i aneu afegint les noves fitxes que trobareu a la taula 2 dels annexos als grups que els correspongui, atenent els seus estat d’oxidació i a l’ordre creixent de masses atòmiques, però no necessàriament al seu caràcter metàl·lic. Representeu la nova taula tal i com heu fet a l’activitat 1. Activitat 7: Compareu la vostra taula amb la publicada per Mendeleiev el 1871. Les masses atòmiques relatives són les considerades correctes en aquella època.

Taula 1.Taula periòdica de Mendeleiev de 1871.



Mendeleiev va distribuir els 63 elements coneguts (cinc dubtosos) en 12 files horitzontals o sèries, en ordre de masses atòmiques creixents. Va distingir entre les sèries de nombres parells i imparells, mitjançant un petit desplaçament de símbols a la dreta o a l’esquerra, degut a que va observar que, encara que tots els elements d’un grup tenien en general propietats físiques i químiques anàlogues, les semblances eren a vegades més notables entre els elements del grup que pertanyien a sèries parelles o imparelles únicament. Per exemple, en el grup VI, el S, Se i Te són no metalls i el Cr, Mo, i W són metalls.

En arribar al calci (Ca), dels elements coneguts en aquella època, el de massa atòmica superior més pròxim era el titani (Ti). No obstant, les propietats del Ti són semblants a les del C i el Si, i no a les del B i l’Al. Mendeleiev va saber adonar-se de que el Ti havia d’anar a sota el Si i que, per tant, havia d’existir algun element, fins aleshores desconegut, de massa atòmica intermèdia entre la del Ca(40) i el Ti(50) i d’estat d’oxidació 3, que aniria a sota del bor, i al que va anomenar ekabor (eka significa just el primer després de)

La densitat del’ekabor també la va trobar a partir de la mitjana aritmètica entre les densitats del Ca i el Ti:

A la següent taula es comparen les prediccions de Mendeleiev amb les propietats observades per l’escandi.

La concordança va ser admirable i indicava l’exactitud de la llei periòdica de Mendeleiev. La seva taula permetia dir quins elements faltaven per descobrir, quines eren les seves propietats i consegüentment com trobar-los.

Anàlogament a l’escandi, Mendeleiev va predir l’existència i les propietats d’altres dos elements, fins aleshores desconeguts, als qual va anomenar ekaalumini i ekasilici, i per als quals va deixar un forat a la taula periòdica (a sota de l’Al i el Si, respectivament) i que van ser descoberts posteriorment, el 1875 l’ekaalumini, que es va anomenar gal·li, i el 1886 l’ekasilici, que es va anomenar germani.

Activitat 8:

Seguint el raonament similar al de Mendeleiv, prediu les propietats de l’ekaalumini (gal·li) i de l’ ekasilici (germani), obtenint-los a partir dels valors mitjans dels elements veïns (a dalt i a baix). Preneu les propietats dels element veïns de les taules de l’apèndix, feu les prediccions i compareu-les amb les propietats observades per al gal·li i el germani, que trobareu a la mateixa taula.

Ekabor (escandi) Predicció de Mendeleiev el 1871 (ekabor)

Propietats observades (escandi)

Massa atòmica relativa 44 43,7 Densitat (g/cm3) 3,04 2,99 Fórmula de l’òxid M2O3 Sc2O3

Ekalumini (gal·li) Al Propietats

predites Ga

Propietats observades

Ga In

Massa atòmica relativa Densitat (g/cm3)

Temperatura de fusió (ºC) Fórmula de l’òxid



Es descobreixen nous elements

Entre 1794 i 1907 es van descobrir, en minerals de terres rares (s’anomenen així perquè són menys freqüents que altres terres com la sílice, calcària, magnèsia, etc.), catorze nou elements que es van anomenar terres rares o lantànids. Els elements de les terres rares posseïen propietats químiques molt similars i tots tenien estat d’oxidació 3. Es podria haver suposat que tots havien d’estar a la tercera columna de la taula, però els catorze elements tenien masses atòmiques molt pròximes.

La 138,9

Ce 140,1

Pr 140,9

Nd 144,2

Sm 150,4

Eu 152,0

Gd 157,2

Tb 158,9

Dy 162,5

Ho 164,9

Er

167,3 Tm 168,9

Yb 173,0

Lu 175,0

Per tant no hi va haver més remei que posar-los tots en una mateixa fila horitzontal, formant una nova sèrie. El fet que les propietats d’aquests elements no variessin de forma sistemàtica o periòdica amb l’increment de massa atòmica, va esdevenir un problema per a la taula periòdica de Mendeleiev.

Un altre grup d’elements desconeguts en el temps de Mendeleiev eren els gasos nobles o inerts. El 1880 el físic anglès lord Rayleigh va observar que el nitrogen de l’aire semblava tenir una massa atòmica lleugerament més elevada que el dels compostos del sòl. Un químic escocès, William Ramsay, va pensar que podia ser degut a l’existència d’un altre gas, lleugerament més dens que el nitrogen que l’acompanyava com a impuresa. D’aquesta manera es va aïllar un nou gas que es va anomenar argó, que significa “inert”, ja que no reacciona amb cap altre element, és a dir, té estat d’oxidació zero.

Aquest fet va fer pensar que havia d’existir la família de gasos inerts, cada un d’ells amb estat d’oxidació zero. Alguns anys més tard Ramsay va descobrir l’heli, el neó (“nou”), el criptó (“ocult”) i el xenó (“l’estranger”).

Activitat 9:

La taula periòdica de Mendeleiev modificada amb l’addició dels nous elements coneguts quedava el 1930 en la forma que es mostra a la Taula 2.

Quines diferències observeu respecte de la taula de Mendeleiev de 1871?

Després de que s’haguessin descobert els elements citats i que s’haguessin determinat amb major exactitud les masses atòmiques, apareixien varies anomalies a la taula periòdica:

a) La semblança dels subgrups A i B de cada família no era total.

b) Les propietats dels elements de terres rares no mostraven una variació periòdica.

Ekasilici (germani) Si Propietats

predites Ge

Propietats observades

Ge Sn

Massa atòmica relativa Densitat (g/cm3)

Temperatura de fusió (ºC) Fórmula de l’òxid



c) L’ordre de masses atòmiques creixents no es complia en alguns casos. Observa a la Taula 2 els elements que mostren alguna anomalia en l’ordre de masses atòmiques creixents.

Aquests exemples van fer evident que la massa atòmica no era sempre el millor criteri d’ordenació dels elements. Aleshores es va assignar a cada element un nombre d’ordre o nombre atòmic, d’acord amb la seva posició en la taula periòdica, des de l’1 al 92. A la Taula 2 aquest nombre es situa a l’esquerra del símbol de cada element.

Taula 2. Taula periòdica de 1930.

La taula periòdica actual

La taula periòdica actual està basada en l’estructura interna dels àtoms, fet que ha permès explicar les anomalies que apareixien en la taula de Mendeleiev i donar un significat físic al número d’ordre o nombre atòmic.

Activitat 10:

A la Taula es mostra la taula periòdica actual en la seva forma normal , i a la Taula en forma llarga

Quines diferències trobeu amb la forma curta de la Taula 2?

____________________________________

Univers i vida

La taula periòdica normal consta de set files horitzontals anomenades períodes i 18 columnes que inclouen el grups o famílies. Als períodes se’ls designa un número de l’1 al 7 iun número de l’1 al 18. Tots els elements que estan dins d’un mateix grup de la taula periòdica tenen propietats químiques semblants.Alguns grups de la taula periòdica reben noms especials:Grup1 : alcalins Grup 2: alcalinoterris Grup 17: halògens Grup 18: Gasos nobles Activitat 11: Situeu al seu lloc de la taula periòdica els següents elements: alumini, argó, arsènic, sofre, bari, beril·li, bor, brom, calci, carboni, zinc, or, cobalt, coure, crom, escandi, estany, estronci, fluor, fòsfor, gal·li, germani, heli, hidrogen, ferro, iode, liti, magnesi, manganès, mercuri, neó, níquel, nitrogen, or, oxigen, plata, plom, potassi, seleni, silici, sodi, titani, vanadi. Escriviu a la part dreta de la casella, de dalt a baix, lConfirmeu-los a les targetes.


6

Taula . Taula periòdica (forma normal).

Taula 4. Taula periòdica (forma llarga).

La taula periòdica normal consta de set files horitzontals anomenades períodes i 18 columnes que inclouen el grups o famílies. Als períodes se’ls designa un número de l’1 al 7 i

Tots els elements que estan dins d’un mateix grup de la taula periòdica tenen propietats químiques semblants. Alguns grups de la taula periòdica reben noms especials:

Situeu al seu lloc de la taula periòdica els següents elements: alumini, argó, arsènic, sofre, bari, beril·li, bor, brom, calci, carboni, zinc, or, cobalt, coure, crom, escandi, estany, estronci, fluor, fòsfor, gal·li, germani, heli, hidrogen, ferro, iode, liti, magnesi, manganès, mercuri, neó, níquel, nitrogen, or, oxigen, plata, plom, potassi, seleni, silici, sodi, titani, vanadi.

Escriviu a la part dreta de la casella, de dalt a baix, l’estat d’oxidació que té cada element.

Centre de Documentació i Experimentació en ciències

Química en context

La taula periòdica normal consta de set files horitzontals anomenades períodes i 18 columnes que inclouen el grups o famílies. Als períodes se’ls designa un número de l’1 al 7 i a les famílies

Tots els elements que estan dins d’un mateix grup de la taula periòdica

Situeu al seu lloc de la taula periòdica els següents elements: alumini, argó, arsènic, sofre, bari, beril·li, bor, brom, calci, carboni, zinc, or, cobalt, coure, crom, escandi, estany, estronci, fluor, fòsfor, gal·li, germani, heli, hidrogen, ferro, iode, liti, magnesi, manganès, mercuri, neó, níquel,

que té cada element.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

1 2 3

4 5 6

7

uv 2.1 la ordenació dels elements: construcció de les...

Documents