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puras e impuras] [Elementos
y compuestos] [Abundancia
de los elementos] [Propiedades
energéticas] [Referencias]
El
estudio de la química depende de poder aislar, identificar y registrar las
propiedades de las sustancias puras. Los químicos han aislado y caracterizado
un estimado de 9 millones de sustancias puras y la cifra aumenta cada fin de
semestre. Un número muy pequeño de estas sustancias puras, 118 para ser
exactos, son diferentes de todas las demás. Ellos son los elementos. Todo el
resto, los millones restantes, son compuestos. ¿Qué distingue a un elemento de
un compuesto? Un elemento es una sustancia pura que no puede descomponerse en
sustancias puras más simples por medios químicos como una reacción química, una
corriente eléctrica, calor o un rayo de luz. Los metales oro, plata y cobre son
todos elementos.
Los compuestos
Un
compuesto es una sustancia pura que se puede descomponer en dos o más
sustancias puras más simples por medios químicos. El agua es un compuesto. Por
medio de una corriente eléctrica, el agua se puede descomponer en los gases
hidrógeno y oxígeno, que son elementos. Los mayores productos de descomposición
para cualquier compuesto son elementos.
Figura 9‑1. Un compuesto es una sustancia cuyas moléculas están formadas por más
de un tipo de átomo; un elemento está formado por un solo tipo de átomos, los
cuales pueden organizarse individualmente, como parejas diatómicas o como
moléculas poliatómicas.
Las
propiedades de un compuesto son siempre diferentes de las de sus elementos componentes,
porque los elementos se combinan químicamente en lugar de combinarse
físicamente en el compuesto. Aunque dos o más elementos se obtienen de la
descomposición de los compuestos, los compuestos no son mezclas. ¿Por qué esto
es tan? Las sustancias se pueden combinar física o químicamente. La combinación
física de sustancias produce una mezcla. La combinación química de sustancias
produce un compuesto, una sustancia en la que las entidades que se combinan
están unidas. No se produce dicha unión durante la combinación física.
El elemento como concepto
cambiante
El
concepto de un "elemento" como una sustancia indivisible se ha
desarrollado a través de tres fases históricas principales: definiciones
clásicas (como las de los antiguos griegos), definiciones químicas y
definiciones atómicas. La filosofía antigua postuló un conjunto de elementos
clásicos para explicar los patrones observados en la naturaleza. Estos
elementos originalmente se referían a la tierra, el agua, el aire y el fuego en
lugar de los elementos químicos de la ciencia moderna. El término
"elementos" (stoicheia) fue utilizado por primera vez por el
filósofo griego Platón en 360 AC en su diálogo Timeo, que incluye una discusión
sobre la composición de los cuerpos orgánicos e inorgánicos y es un tratado
especulativo sobre química. Platón creía que los elementos introducidos un
siglo antes por Empédocles estaban compuestos de pequeñas formas poliédricas:
tetraedro (fuego), octaedro (aire), icosaedro (agua) y cubo (tierra).
Aristóteles, c. 350 BCE, también usó el término stoicheia y agregó un
quinto elemento llamado aether, que formó los cielos. Aristóteles definió un
elemento como: Elemento: uno de esos cuerpos en los que otros cuerpos pueden
descomponerse y que no puede dividirse en otro, la diferencia entre Platón y
Aristóteles radica en que Platón describe a los elementos como corpúsculos
discontinuos, entidades discretas de un mismo tipo, mientras que para
Aristóteles un elemento era una entidad continua como un flujo que da su
identidad a lo que compone. La definición aristotélica predominó debido a que
el modo en que experimentamos la materia es continuo, mientras que las
partículas discontinuas eran invisibles.
En 1661,
Robert Boyle propuso su teoría del corpuscularismo que favorecía el análisis de
la materia como constituido por unidades irreductibles de materia (átomos) y,
eligiendo no alinearse ni con la visión de Aristóteles de los cuatro elementos
ni con la visión de Paracelsus de tres elementos fundamentales, dejada abierta
la cuestión del número de elementos. La primera lista moderna de elementos
químicos se dio en Elementos de Química de 1789 de Antoine Lavoisier, que
contenía treinta y tres elementos, incluidos la luz y el calórico. Para 1818,
Jöns Jakob Berzelius había determinado pesos atómicos para cuarenta y cinco de
los cuarenta y nueve elementos aceptados en ese momento. Dmitri Mendeleev tenía
sesenta y seis elementos en su tabla periódica de 1869. Desde Boyle hasta
principios del siglo XX, un elemento se definió como una sustancia pura que no
podía descomponerse en ninguna sustancia más simple. Dicho de otra manera, un
elemento químico no puede transformarse en otros elementos químicos mediante
procesos químicos. Los elementos durante este tiempo se distinguieron generalmente
por sus pesos atómicos, una propiedad que se puede medir con una precisión
razonable mediante técnicas analíticas disponibles.
El
descubrimiento de 1913 por el físico inglés Henry Moseley de que la carga
nuclear es la base física para el número atómico de un átomo, se refinó aún más
cuando la naturaleza de protones y neutrones se apreció, finalmente condujo a
la definición actual de un elemento basado en el número atómico o protones por
núcleo atómico). El uso de números atómicos, en lugar de pesos atómicos, para
distinguir elementos tiene un mayor valor predictivo (ya que estos números son
enteros) y también resuelve algunas ambigüedades en la vista basada en química
debido a las propiedades variables de isótopos y alótropos dentro del mismo
elemento. Actualmente, IUPAC define un elemento para existir si tiene isótopos
con una vida más larga que los 10-14 segundos que tarda el núcleo en
formar una nube electrónica.
Para
1914, se conocían setenta y dos elementos, todos naturales. El resto de los
elementos naturales se descubrieron o aislaron en las décadas siguientes, y
varios elementos adicionales también se han producido sintéticamente, y gran
parte de ese trabajo fue iniciado por Glenn T. Seaborg. En 1955, se descubrió
el elemento 101 y se lo nombró mendelevio en honor a D.I. Mendeleev, el primero
en organizar los elementos de forma periódica. Más recientemente, la síntesis
del elemento 118 se informó en octubre de 2006, y la síntesis del elemento 117
se informó en abril de 2010.
Purificación de los elementos
Figura 9‑2. El sueño de Mendeleev (YouTube).
Diez
materiales familiares para varias culturas prehistóricas se conocen ahora como
elementos químicos: carbono, cobre, oro, hierro, plomo, mercurio, plata,
azufre, estaño y zinc. Tres materiales adicionales ahora aceptados como
elementos, arsénico, antimonio y bismuto, se reconocieron como sustancias
distintas antes del año 1500 DC. El fósforo, el cobalto y el platino se
aislaron antes de 1750.
Figura 9‑3. Algunos elementos puros. 1. Azufre; 2. Carbono; 3. Arsénico; 4. Yodo; 5. Litio; 6. Sodio;
7. Magnesio; 8 mercurio.
La
mayoría de los elementos químicos que permanecen en la naturaleza se
identificaron y caracterizaron en 1900, que incluyen: Materiales industriales
tan familiares como el aluminio, el silicio, el níquel, el cromo, el magnesio y
el tungsteno; Metales reactivos como
litio, sodio, potasio y calcio; Los halógenos flúor, cloro, bromo y yodo; Gases
como hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, helio, argón y neón; La mayoría de los
elementos de tierras raras, incluidos el cerio, el lantano, el gadolinio y el
neodimio; Los elementos radiactivos más comunes, incluidos el uranio, el torio,
el radio y el radón.
Los
elementos aislados o producidos desde 1900 incluyen: Los tres elementos
naturales estables regularmente presentes no descubiertos: hafnio, lutecio y
renio; El plutonio, que se produjo por primera vez sintéticamente en 1940 por
Glenn T. Seaborg, pero ahora también se conoce a partir de unas pocas
ocurrencias naturales persistentes desde hace mucho tiempo; Los tres elementos
naturales ocurridos incidentalmente (neptunio, prometio y tecnecio), que fueron
todos producidos sintéticamente por primera vez pero luego se descubrieron en
cantidades mínimas en ciertas muestras geológicas; Tres productos de descomposición
escasos de uranio o torio, (astato, francio y protactinio); y varios elementos
transuránicos sintéticos, comenzando con americio y curio.
El
primer elemento transuránico (elemento con un número atómico mayor que 92)
descubierto fue neptunio en 1940. Desde 1999, el Grupo de Trabajo Conjunto
IUPAC / IUPAP ha considerado las reclamaciones para el descubrimiento de nuevos
elementos. A partir de enero de 2016, todos los 118 elementos han sido
confirmados por IUPAC. El descubrimiento del elemento 112 fue reconocido en
2009, y se le sugirió el nombre de copernicio y el símbolo atómico Cn. El
nombre y el símbolo fueron oficialmente respaldados por la IUPAC el 19 de
febrero de 2010. El elemento más pesado que se cree que ha sido sintetizado
hasta la fecha es el elemento 118, oganesón, el 9 de octubre de 2006, por el
Laboratorio de Reacciones Nucleares de Flerov en Dubna, Rusia. El Tenesio, el
elemento 117 fue el último elemento que se alegó para ser descubierto, en 2009.
El 28 de noviembre de 2016, los científicos de la IUPAC reconocieron
oficialmente los nombres de cuatro de los elementos químicos más nuevos, con
los números atómicos 113, 115, 117 y 118.
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