Elementos químicos

Los elementos químicos o sustancias puras constituyen la materia de todo lo que hoy se conoce. Se caracterizan por estar constituidos por átomos de una misma clase y permanecer inalterables ante la aplicación de fuerzas químicas. Están organizados según sus propiedades en la llamada tabla periódica de los elementos.

Temas relacionados

Compuestos químicos, enlaces químicos, afinidad electrónica

¿Qué es un elemento químico?

El elemento químico, también llamado elemento, es una sustancia básica que integra la materia. Es indivisible a través de reacción química. Está compuesto por átomos del mismo tipo, con características físicas particulares. Cada átomo del elemento es constituido por el mismo número de protones, más no todos son idénticos. Pueden existir dos o más átomos con características diferentes, determinadas por el número de neutrones. Si la suma de sus protones y neutrones, que indica el número másico, resulta distinta, se denominan átomos isótopos.

Hasta el 2020 han sido identificados 118 elementos, 90 de ellos hallados en forma natural, formando sustancias simples o algún compuesto químico. Los restantes son producto de la aceleración de partículas a través de campos electromagnéticos o reacciones atómicas, artificiales y de carácter inestable.

El número de protones existentes en cada átomo del elemento determina lo que se conoce como número atómico. Característica que le da lugar dentro de la tabla periódica de los elementos. En la tabla o matriz, las sustancias se ubican además por la configuración de electrones y sus propiedades químicas.

Características de los elementos químicos

Los elementos químicos están constituidos por una clase de átomos, cuyos núcleos contienen igual número de protones.

Se hallan mayormente en la naturaleza, sólo una pequeña parte de los elementos químicos se obtiene de manera artificial. Éstos últimos duran menos de un segundo y son inconsistentes.

Su naturaleza permanece inmutable ante cambios químicos o procesos termodinámicos.

Se encuentran en diferentes estados a temperatura ambiente: gas, plasma, líquido o sólido, de acuerdo al elemento.

Elementos de igual clasificación en la tabla periódica muestran respuestas químicas similares. Comportamiento determinado por la estructura del núcleo y configuración electrónica.

Origen

Los elementos químicos tienen origen astronómico. Al menos la primera parte de ellos se produjo durante la nucleosíntesis primordial o nucleosíntesis del Big Bang. Se supone que cuando el núcleo primitivo del universo estalló, distribuyó uniformemente materia y radiación en el espacio. Esta materia al enfriarse creó las primeras partículas, llamadas quarks, que al interactuar entre sí formaron protones y neutrones.

Las fuerzas gravitacionales, magnéticas y nucleares actuaban ya sobre lo creado, como una especie de reactor nuclear de fusión. Se estabilizaron los electrones y se formaron los fotones electromagnéticos. Protones y neutrones conformaron núcleos de Deuterio (protón + neutrón) y Helio (2 protones + 2 neutrones), cuyos símbolos son 2H y He, respectivamente. El Deuterio es un isótopo estable del Hidrógeno (H).

Se cree que pasados los primeros 8 minutos del Big Bang ya una ¼ parte del Universo estaba compuesto de He y ¾ de Hidrógeno. También menos de una décima de Deuterio y de núcleos de Litio (Li). De allí la abundancia de estos primeros elementos en el universo.

Con el tiempo la temperatura disminuyó, se formaron los primeros átomos e interactuaron entre sí sin ser afectados por la radiación. La interacción sumó átomos diferentes que formaron el núcleo de estrellas. Las reacciones nucleares de los átomos contenidos en los cuerpos astronómicos dan lugar a los elementos químicos.

La síntesis de los elementos depende de la temperatura que hay en el centro del núcleo de la estrella. El H se transforma en He y se tiene como resultado elementos más pesados y éstos a su vez interaccionan creando otros de mayor peso. Uno de los elementos pesados más estable es el hierro (Fe).

El origen de los elementos en la tierra, se atañe a las fuerzas que han actuado sobre ella. Aceptando que la tierra fue un cuerpo extremadamente caliente, que al expandirse se enfrió y generó las distintas capas. Esto a partir de un núcleo sólido formado por Fe y Niquel (Ni), una capa de magma y la corteza externa.

Historia

No existe un registro exacto de las fechas de hallazgo de cada uno de los elementos químicos. Si un listado de éstos, en orden cronológico, según la fecha en la que fueron mencionados por vez primera en artículos o infórmenes.

El cobre encabeza la lista, su existencia se ubica en el año 9000 a.C. Aunque la evidencia física más antigua data del año 6000 a.C, unas cuentas de cobre halladas en Anatolia, Asia.

Le siguen el oro, plomo, plata y hierro, cuyas muestras se ubican entre los años 6000 y 3750 a.C, mayormente en Anatolia y Egipto. Los arqueólogos apuntan que el oro fue quizás el primer metal usado por los seres humanos.

Del carbono, estaño, azufre, mercurio, zinc, arsénico, antimonio y bismuto, también descubiertos y utilizados en la antigüedad, se tienen datos poco precisos. Algunos de ellos, como el carbón vegetal, eran utilizados por los sumerios y egiptos para la obtención de cobre. Y no fueron registrados como elementos puros sino muchos siglos después.

De los elementos químicos identificados a partir del año 1669, se tienen nombres de sus investigadores e interesantes notas. El biólogo Antoine Laurent de Lavoisier, padre de la química moderna, publica en 1789 la primera lista de elementos. Describe 23 en total y excluye todos los metales, excepto el mercurio.

En 1869, el químico Dmitri Ivanávich Mendeléyev organizó los 63 elementos conocidos en su época en la llamada tabla periódica de los elementos. La tabla presenta estas sustancias de acuerdo a su número atómico, configuración electrónica y propiedades químicas. Mendeléyev advirtió entonces la existencia de otros elementos, aun no descritos.

El último elemento químico descubierto es el oganesón, admitido como tal en el año 2006, tras la publicación de su síntesis hecha por científicos rusos.

Clasificación

Los elementos químicos se clasifican en tres grupos: metales, no metales y metaloides:

Los metales son los más predominantes en la naturaleza, se caracterizan por su maleabilidad y brillo. Contienen entre uno y tres electrones en su capa más externa, que le confieren fácil conductibilidad. Son conductores de electricidad y calor. Integran este grupo el oro, plata, cobre, aluminio, hierro, plomo, niquel, sodio, potasio y zinc, entre otros.

Los no metales comprenden un grupo menor, se diferencian de los metales por presentar bajo peso específico y alta capacidad de ionización. Contienen entre cuatro y siete electrones en su última órbita. Se reducen al ganar electrones, tienden a hacerlo para formar iones negativos. Dos o más átomos componen sus moléculas. Entre los no metales se encuentran el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y carbono.

Algunos elementos no metales poseen estructuras atómicas o moleculares diferentes. Esta propiedad se conoce como alotropía, pueden manifestarse en distintas formas, cada una con características físicas y químicas particulares.

Dentro de los no metales se cuentan además los gases nobles, elementos químicos con 8 electrones en su última capa de valencia. Tienen carácter inerte, no reaccionan ante otros elementos. Son gases nobles el neón, argón, radón e inclusive el helio, que excepcionalmente sólo tiene dos electrones en su última capa.

Los metaloides o semimetales, presentan características físicas y químicas tan propias de los elementos metales como de los no metales. Poseen cuatro electrones en su capa externa, que le permiten la conducción de electricidad o calor sólo en una dirección. Son utilizados para la elaboración de materiales semiconductores. Son metaloides el boro, arsénico, silicio y antimonio, entre otros.

Propiedades periódicas

La distribución de los elementos en la tabla periódica obedece a sus propiedades físico-químicas, está dada por grupos y períodos. Entre las propiedades o características de los elementos químicos están:

• El número atómico: Número total de protones que contiene cada átomo del elemento.
• Electronegatividad: Capacidad de atraer electrones. Este valor no está calculado, sí tipificado en una escala del 0,7 al 4,0, de mayor a menor electronegatividad, hecha por el químico Linus Pauling. Se conoce como la escala de Pauling.
• Electropositividad: Capacidad de perder electrones. Los elementos metales son los más propensos a la electropositividad.
• Radio atómico: La distancia probable entre el núcleo del átomo y los electrones que componen su última capa.
• Electroafinidad: O afinidad electrónica, es la energía liberada cuando el átomo neutro atrae a un electrón para formar un ion negativo.
• Energía de ionización: Potencial necesario para separar un electrón –en su estado esencial- de un átomo neutro.

Existen otras cuatro propiedades, menos estudiadas, tal vez por ser consideradas aperiódicas:

• Densidad atómica: Es la relación entre la masa de un átomo y el volumen, depende de la temperatura y el estado en el que se presenta el elemento, generalmente sólido.
• Volumen atómico: Se calcula en estado sólido, por tanto es variable.
• Temperatura de fusión: Punto necesario para que el elemento cambie del estado sólido a líquido.
• Punto de Ebullición: Temperatura necesaria para que un elemento en estado líquido se transforme en vapor.

Nombres de los elementos químicos

Los nombres de los elementos químicos tienen procedencias varias. Algunos han sido denominados con el nombre de un investigador, Mendelevio recuerda a Dmitri Ivánovich Mendeléiev. Otros, según la región o país donde fueron avistados, Teneso fue descubierto en Tennessee, Estados Unidos de América.

También han sido utilizadas algunas palabras del griego, como Hidrógeno que significa engendrador de agua. Palabras del latín, tal es el caso del fluere o flúor; y palabras en inglés, como pot ashes que significa cenizas e identifica al potasio.

En todo caso se trata de nombres comunes, que deben ser escritos en minúscula si se encuentran en medio del texto. Más sus símbolos siempre estarán representados por la primera letra en mayúscula y una segunda en minúscula.

Listado y símbolos

1. Hidrógeno (H)
2. Helio (He)
3. Litio (Li)
4. Berilio (Be)
5. Boro (B)
6. Carbono (C)
7. Nitrógeno (N)
8. Oxígeno (O)
9. Flúor (F)
10. Neón (Ne)
11. Sodio (Na)
12. Magnesio (Mg)
13. Aluminio (Al)
14. Silicio (Si)
15. Fósforo (P)
16. Azufre (S)
17. Cloro (Cl)
18. Argón (Ar)
19. Potasio (K)
20. Calcio (Ca)
21. Escandio (Sc)
22. Titanio (Ti)
23. Vanadio (V)
24. Cromo (Cr)
25. Manganeso (Mn)
26. Hierro (Fe)
27. Colbato (Co)
28. Níquel (Ni)
29. Cobre (Cu)
30. Zinc (Zn)
31. Galio (Ga)
32. Germanio (Ge)
33. Arsénico (As)
34. Selenio (Se)
35. Bromo (Br)
36. Kriptón (Kr)
37. Rubidio (Rb)
38. Estroncio (Sr)
39. Itrio (Y)
40. Zirconio (Zr)
41. Niobio (Nb
42. Molibdeno (Mo)
43. Tecnecio (Tc)
44. Rutenio (Ru)
45. Rodio (Rh)
46. Paladio (Pd)
47. Plata (Ag)
48. Cadmio (Cd)
49. Indio (In)
50. Estaño (Sn)
51. Antimonio (Sb)
52. Teluro (Te)
53. Yodo (I)
54. Xenón (Xe)
55. Cesio (Cs)
56. Bario (Ba)
57. Lantano (La)
58. Cerio (Ce)
59. Praseodimio (Pr)
60. Neodimio (Nd)
61. Prometio (Pm)
62. Samario (Sm)
63. Europio (Eu)
64. Gadolinio (Gd)
65. Terbio (Tb)
66. Disprosio (Dy)
67. Holmio (Ho)
68. Erbio (Er)
69. Tulio (Tm)
70. Iterbio (Yb)
71. Lutecio (Lu)
72. Hafnio (Hf)
73. Tantalio (Ta)
74. Wolframio (W)
75. Renio (Re)
76. Osmio (Os)
77. Iridio (Ir)
78. Platino (Pt)
79. Oro (Au)
80. Mercurio (Hg)
81. Talio (Tl)
82. Plomo (Pb)
83. Bismuto (Bi)
84. Polonio (Po)
85. Astato (At)
86. Radón (Rn)
87. Francio (Fr)
88. Radio (Ra)
89. Actinio (Ac)
90. Torio (Th)
91. Protactinio (Pa)
92. Uranio (U)
93. Neptunio (Np)
94. Plutonio (Pu)
95. Americio (Am)
96. Curio (Cm)
97. Berkelio (Bk)
98. Californio (Cf)
99. Einstenio (Es)
100. Fermio (Fm)
101. Mendelevio (Md)
102. Nobelio (No)
103. Laurencio (Lr)
104. Rutherfordio (Rf)
105. Dubnio (Db)
106. Seaborgio (Sg)
107. Bohrio (Bh)
108. Hassio (Hs)
109. Meitnerio (Nt)
110. Darmstatio (Ds)
111. Roentgenio (Rg)
112. Copernicio (Cn)
113. Nihonio (Nh)
114. Flerovio (Fl)
115. Moscovio (Mc)
116. Livermorio (Lv)
117. Teneso (Ts)
118. Oganesón (Og)

Elementos químicos más importantes para los seres humanos

El cuerpo humano está compuesto por más de la mitad de los elementos químicos conocidos. Cuatro de ellos le son fundamentales: oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno, constituyen el 96% del organismo a nivel químico. En orden de importancia se le suman calcio y fósforo. También potasio, azufre, sodio, cloro, magnesio y hierro. Mientras que otros elementos como el silicio, zinc o el yodo, se presentan en proporciones mínimas.

Elementos químicos tóxicos para el ser humano

Los elementos tóxicos o dañinos al ser humano son el arsénico, plomo, aluminio, cadmio y mercurio. Acceden al organismo a través de la alimentación, agua, aire (tras la emisión de toxinas) e inclusive a través de artículos de uso diario. Su presencia –aun en bajas proporciones- produce cambios desfavorables en la genética y metabolismo los seres vivos.

Uso comercial de los elementos químicos

Los elementos químicos puros son utilizados en la elaboración de infinidad de sustancias o compuestos de gran provecho para la industria. Se utilizan como materia base para la construcción. En la fabricación de productos de limpieza y mantenimiento del hogar. También en las labores del campo, para el mejoramiento de la agricultura, como parte de herbicidas, insecticidas, fertilizantes y fitorreguladores.

¿En qué se diferencian los elementos de los compuestos químicos?

Los elementos deben diferenciarse de las sustancias simples y los compuestos químicos. Las primeras están constituidas por moléculas (enlace de átomos de configuración definida y estable) de un solo elemento químico. Mientras que los compuestos, resultan de la combinación de dos o más elementos de la tabla periódica. A partir de los 118 elementos conocidos pueden lograrse millones de compuestos.