Elemento químico

Elemento químico Concepto: Sustancia formada por átomos que tienen igual cantidad de protones en el núcleo

Elemento químico, o solamente elemento, es una sustancia formada por átomos que tienen igual cantidad de protones en el núcleo, este número se conoce como el número atómico del elemento. Los elementos químicos no pueden ser descompuestos, mediante una reacción química, en otros más simples. Estos se representan por símbolos.

Estado natural y abundancia

Algunos elementos se han encontrado en la naturaleza y otros obtenidos de manera artificial, formando parte de sustancias simples o de compuestos químicos. Muchos han sido creados artificialmente en los aceleradores de partículas o en reactores atómicos. Estos últimos suelen ser inestables y sólo existen durante milésimas de segundo. A lo largo de la historia del universo se han ido generando la variedad de elementos químicos a partir de nucleosíntesis en varios procesos, fundamentalmente debidos a estrellas.

La abundancia de un elemento químico indica en términos relativos cuán común es, o cuánto existe de dicho elemento comparado con otros elementos químicos. Se puede medir o expresar la abundancia de varias formas, por ejemplo mediante la fracción de masa (igual a la fracción de peso), o fracción molar (fracción de átomos, o a veces fracción de moléculas, en el caso de gases), o en función de la fracción volumétrica. La medida de la fracción volumétrica es una medida de abundancia usual en mezclas de gases tales como atmósferas, que es muy similar a la fracción molar molecular para mezclas de gases ideales (es decir mezclas de gases a densidades y presiones relativamente reducidas).

Por ejemplo, la abundancia expresada como fracción de masa del oxígeno en el agua es aproximadamente 89%, porque esa es la fracción de la masa del agua que es oxígeno. Sin embargo, la abundancia expresada como fracción molar del oxígeno en el agua es de solo el 33% porque solo 1 átomo de cada 3 en el agua es un átomo de oxígeno. En todo el universo, y en las atmósferas de planetas gigantes de gas tales como Júpiter, las abundancia como fracción de masa de hidrógeno y helio son aproximadamente del 74% y 23-25% respectivamente, mientras que las fracciones molares (atómicas) de estos elementos son del 92% y 8%.

Sin embargo, el hidrógeno es diatómico mientras que el helio no lo es en las condiciones existentes en la atmósfera exterior de Júpiter, la fracción molar molecular (fracción de todas las moléculas de gas, o fracción de la atmósfera expresada como volumen) del hidrógeno en la atmósfera exterior de Júpiter es aproximadamente 86%, y del 13% para el caso del helio.

Abundancia de los elementos en el universo

Estas abundancias que a continuación se representan corresponden a fracciones de masa.

Isótopos más abundantes en el sistema Solar
Isótopo	Fracción de masa en partes por millón
Hidrógeno-1	705.700
Helio-4<	275.200
Oxígeno-16	5.920
Carbono-12	3.032
Neón-20	1.548
Hierro-56	1.169
Nitrógeno-14	1.105
Silicio-28	653
Magnesio-24	513
Azufre-32	396
Neón-22	208
Magnesio-26	79
Argón-36	77
Hierro-54	72
Magnesio-25	69
Calcio-40	60
Aluminio-27	58
Níquel-58	49
Carbono-13	37
Helio-3	35
Silicio-29	34
Sodio-23	33
Hierro-57	28
Hidrógeno-2	23
Silicio-30	23

La mayoría de la materia estándar (bariónica) se encuentra en las estrellas y nubes interestelares, como átomos o iones (plasma), sin embargo es posible encontrar otros tipos extraños de materia en artefactos astrofísicos, tal como el caso de las altas densidades existentes en el interior de las enanas blancas y estrellas de neutrones.

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo conocido; y el helio es el segundo. Sin embargo, el próximo de la serie no continúa con el siguiente número atómico; el oxígeno es el tercero en el ranking de abundancia, aunque su número atómico es el 8. Todos los otros son mucho menos comunes.

La abundancia de los elementos más livianos es predicha correctamente por el modelo cosmológico estándar, dado que los mismos fueron formados al muy poco tiempo (es decir dentro de cientos de segundos) luego del Big Bang, en un proceso denominado núcleo síntesis del Big Bang. Los elementos más pesados fueron formados mucho después, dentro de las estrellas. El helio-3 es un elemento raro en la Tierra y es buscado para ser utilizado en investigaciones de fusión nuclear. Se cree que en la Luna la abundancia de helio-3 puede ser mayor. El helio también es producido durante la fusión del hidrógeno dentro de los núcleos de las estrellas mediante diversos procesos incluidos la cadena protón-protón y el ciclo CNO.

Se estima que el hidrógeno y el helio constituyen aproximadamente el 74 % y 24 % de toda la materia bariónica del universo. A pesar de que representan una muy pequeña fracción del universo, los otros elementos denominados "elementos pesados" pueden ejercer gran influencia sobre los fenómenos astronómicos. Solo el 2 % (de la masa) del disco de la galaxia de la Vía Láctea está compuesto de elementos pesados.

Estos otros elementos son generados mediante procesos estelares. En el ámbito de la Astronomía, un "metal" es todo elemento distinto del hidrógeno, helio o litio. Esta distinción es importante dado que el hidrógeno y el helio (junto con cantidades muy reducidas de litio) son los únicos elementos que se encuentran naturalmente sin necesidad de la reacción de fusión nuclear que se desarrolla en las estrellas. Por lo tanto, la metalicidad de una galaxia u otro objeto es un indicador de su actividad estelar en el pasado.

Los diez elementos más comunes en la Galaxia de la Vía Láctea, estimados mediante estudios con espectrómetros
Z	Elemento	Fracción de masa en partes por millón
1	Hidrógeno	739.000
2	Helio	240.000
8	Oxígeno	10.400
6	Carbono	4.600
10	Neón	1.340
26	Hierro	1.090
7	Nitrógeno	960
14	Silicio	650
12	Magnesio	580
16	Azufre	440

La nucleosíntesis que explica como ciertos procesos de fusión nuclear que se desarrollan en las estrellas (tales como el quemado de carbono, etc.) crean elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. La Tierra se formó a partir de la misma nube de materia de la cual se formó el Sol, pero los planetas adquirieron diferentes composiciones durante la formación y evolución del sistema solar. La historia de la Tierra fue tal que partes de este planeta poseen diferentes concentraciones de elementos.

Abundancia de los elementos en la corteza terrestre

La abundancia (fracción de átomos) de los elementos químicos en la corteza continental superior de la Tierra en función del número atómico. Los elementos más raros en la corteza no son los más pesados, son los elementos siderófilos (afines al hierro) según la clasificación de elementos de Goldschmidt. Estos han disminuido al reubicarse en las profundidades en el núcleo de la Tierra. La abundancia de materiales de meteoroides es más elevada en términos relativos. En forma adicional, el telurio y el selenio han sido consumidos en la corteza a causa de la formación de hídridos volátiles.

Existen los elementos que forman rocas (elementos principales), los elementos de las tierras raras (lantánidos)y los principales metales industriales, así como los metales preciosos y los nueve "metales" más escasos— los seis elementos del grupo del Platino más el Au, Re, y Te (un metaloide).

Utilizando técnicas de espectrometría ha sido posible identificar la presencia en las atmósferas de las estrellas de los primeros dos de estos elementos, allí los mismos son producidos mediante procesos de nucleosíntesis. También existen cortes en los cuales deberían encontrarse los seis gases nobles dado que los mismos se encuentran en la corteza terrestre como resultado de cadenas de decaimiento de elementos radiactivos y por lo tanto allí son elementos extremadamente raros.

No se incluyen los seis, elementos altamente radiactivos muy raros (polonio, astato, francio, radio, actinio, y protactinio), dado que cualquiera de estos elementos que existió cuando se formó la Tierra ha decaído hace muchos eones, y su cantidad en la actualidad es ínfima.

El oxígeno y el silicio son elementos sumamente comunes. Existen varias combinaciones de los mismos que dan lugar a formas comunes de minerales de silicatos.

Abundancia de los elementos "tierras raras"

El término tierras "raras" es poco apropiado. La persistencia del término es más una indicación de falta de familiaridad que de verdadera rareza o escasez. La concentración en la corteza terrestre de cada uno de los elementos de tierras raras más abundantes es similar a metales industriales comunes tales como el cromo, níquel, cobre, zinc, molibdeno, estaño, tungsteno, o plomo.

Los dos elementos de las tierras raras menos abundantes (tulio y lutecio) son aproximadamente doscientas veces más abundantes que el oro. Sin embargo, en comparación con los metales ordinarios y metales preciosos, los elementos de tierras raras tiene una muy baja tendencia de estar concentrados en yacimientos minerales con "leyes" que hagan económicamente atractiva su explotación. En consecuencia, la mayoría del suministro mundial de elementos de tierras raras proviene de unos pocos sitios. Más aún, los metales de tierras raras son todos químicamente muy similares entre sí, y por lo tanto es sumamente difícil separarlos de manera de obtener cantidades de un elemento puro.

Las diferencias en abundancias de elementos individuales de tierras raras en la corteza superior de la tierra representan la superposición de dos efectos, uno nuclear y el otro geoquímico. Primero, los elementos de tierras raras con números atómicos pares (58Ce, 60Nd, ...) presentan abundancias cósmicas y terrestres mayores que los elementos de tierras raras vecinos con números atómicos impares (57La, 59Pr, ...). Segundo, los elementos de tierras raras más livianos son más incompatibles (porque poseen un mayor radio iónico)y por lo tanto se encuentran concentrados en mayor medida en la corteza terrestre que los elementos de tierras raras más pesados. En la mayoría de los yacimientos de minerales de tierras raras, los primeros cuatro elementos de tierras raras - lantano, cerio, praseodimio, y neodimio - constituyen entre el 80% y el 99% del total de metales de tierras raras que puede extraerse del mineral.

Abundancia de los elementos en el océano

la abundancia de los elementos en el océano, está expresada en fracción de masa, en función de la molaridad (fracción molar) será distinta en cuanto a los cuatro primeros elementos; específicamente, el hidrógeno comprendería dos tercios del número total de átomos porque el hidrógeno mismo representa dos de los tres átomos que forman la molécula de agua.

Composición elemental del agua de los océanos de la Tierra (en masa)
Elemento	Contenido porcentual	Elemento	Contenido porcentual
Oxígeno	85,84	Azufre	0,091
Hidrógeno	10,82	Calcio	0,04
Cloro	1,94	Potasio	0,04
Sodio	1,08	Bromo	0,0067
Magnesio	0,1292	Carbono	0,0028

=Abundancia de los elementos en la Atmósfera

El orden de los elementos expresado en función de la fracción de volumen (que es aproximadamente la fracción molecular molar) en la atmósfera es nitrógeno (78,1%), oxígeno (20.9%), argón (0,96%), y le siguen (en orden incierto) el carbono y el hidrógeno porque el vapor de agua y el dióxido de carbono, que contienen la mayoría de estos elementos en el aire, son componentes variables. El azufre, fósforo, y todos los otros elementos se encuentran en proporciones muchos menores.

Abundancia de los elementos en el cuerpo humano

En proporción de masa las células del cuerpo humano consisten en un 65 al 90 % de agua (H2O), y una proporción muy importante está compuesto de moléculas orgánicas a base de carbono. Por lo tanto el oxígeno representa la mayor parte de la masa del cuerpo humano, seguido por el carbono. El 99 % de la masa del cuerpo humano está formada por seis elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, y fósforo. El contenido de los elementos aluminio y silicio aunque muy abundantes sobre la tierra es notoriamente bajo en el cuerpo humano.

Procedencia de los nombres de elementos químicos

Los nombres de los elementos proceden de sus nombres en griego, latín, inglés o llevan el nombre de su descubridor o ciudad en que se descubrieron:

Hidrógeno (H): del griego ‘engendrador de agua’.

Helio (He): de la atmósfera del Sol (el dios griego Helios). Se descubrió por primera vez en el espectro de la corona solar durante un eclipse en 1868, aunque la mayoría de los científicos no lo aceptaron hasta que se aisló en la tierra.

Litio (Li): del griego lithos, roca de color rojo muy intenso a la flama.

Berilio (Be) de berilo, mineral que contiene berilio.

Boro (B): del árabe buraq.

Carbono (C): carbón.

Nitrógeno (N): en griego nitrum, engendrador de nitratos.

Oxígeno (O): en griego, engendrador de ácidos (oxys).

Flúor (F): del latín fluere.

Neón (Ne): nuevo (del griego neos).

Sodio (Na): Del latín sodanum (sosa). El símbolo Na viene del latín nátrium (nitrato de sodio)color amarillo a la flama

Magnesio(Mg): de Magnesia, comarca de Tesalia (Grecia).

Aluminio (Al): del latín alumen.

Silicio(Si): del latín sílex, sílice.

Fósforo (P) del griego phosphoros, portador de luz (el fósforo emite luz en la oscuridad porque arde al combinarse lentamente con el oxígeno del aire).

Azufre (S) del latín sulphurium.

Cloro (Cl) del griego chloros (amarillo verdoso).

Argón (Ar) del griego argos, ‘inactivo’ (debido a que los gases nobles son poco reactivos).

Potasio (K): del inglés pot ashes (cenizas), ya que las cenizas de algunas plantas son ricas en potasio. El símbolo K proviene del griego kalium.

Calcio(Ca) del griego calx, caliza. La caliza está formada por Ca2CO3.

Escandio (Sc) de Scandia (Escandinavia).

Titanio (Ti): de los Titanes, los primeros hijos de la tierra según la mitología griega.

Vanadio (V): de diosa escandinava Vanadis.

Cromo (Cr): del griego chroma, color.

Manganeso (Mn): de magnes, magnético.

Hierro (Fe): del latín ferrum.

Cobalto (Co): según una versión, proviene del griego kobalos, ‘mina’. Otra versión dice que proviene del nombre de un espíritu maligno de la mitología alemana.

Níquel (Ni): proviene del término sueco koppar nickel y del alemán kupfer nickel, ‘cobre del demonio Nick’ o cobre falso (metal que aparece en las minas de cobre, pero no es cobre).

Cobre (Cu): de cuprum, nombre de la isla de Chipre.

Zinc (Zn): del alemán zink, que significa origen oscuro.

Galio (Ga): de Gallia (nombre romano de Francia).

Germanio (Ge): de Germania (nombre romano de Alemania).

Arsénico (As): arsenikon, oropimente (auripigmentum) amarillo.

Selenio(Se): de Selene (nombre griego de la Luna).

Bromo (Br): del griego bromos, ‘hedor’.

Kriptón (Kr): del griego kryptos, oculto, secreto.

Rubidio (Rb): del latín rubidius, rojo muy intenso (a la llama).

Estroncio (Sr): de Strontian, ciudad de Escocia.

Itrio (Y): de Ytterby, pueblo de Suecia.

Circonio o Zirconio (Zr): del árabe zargun, color dorado.

Niobio (Nb): de Níobe (hija de Tántalo).

Molibdeno(Mo): de molybdos, ‘plomo’. (Al parecer, los primeros químicos lo confundieron con mena de plomo).

Tecnecio(Tc): de technetos, ‘artificial’, porque fue uno de los primeros sintetizados.

Rutenio (Ru): del latín Ruthenia (nombre romano de Rusia).

Rodio (Rh): del griego rhodon, color rosado.

Paladio (Pd): de la diosa griega de la sabiduría, Palas Atenea.

Plata (Ag): del latín argéntum.

Cadmio (Cd): del latín cadmia, nombre antiguo del carbonato de zinc. (Probablemente porque casi todo el cadmio ndustrial se obtiene como subproducto en el refinado de los minerales de zinc).

Indio (In): debido al color índigo (añil) que se observa en su espectro.

Estaño (Sn): del latín stannum.

Teluro (Te): de tel-lus, ‘tierra’.

Antimonio (Sb): del latín antimonium. El símbolo Sb, del latín stibium.

Yodo (I): del griego iodes, violeta.

Xenón (Xe): del griego xenon (ξένος), ‘extranjero, extraño, raro’.

Cesio (Cs): del latín caesius, color azul celeste.

Bario (Ba): del griego barys, ‘pesado’.

Lantano (La): del griego lanthanein, ‘yacer oculto’.

Cerio (Ce): por el asteroide Ceres, descubierto dos años antes. El cerio metálico se encuentra principalmente en una aleación de hierro que se utiliza en las piedras de los encendedores.

Praseodimio(Pr): de prasios, ‘verde’, y dídymos, ‘gemelo’.

Neodimio(Nd): de neos-dýdimos, ‘nuevo gemelo (del lantano)’.

Prometio (Pm): del dios griego Prometeo.

Samario (Sm): del mineral samarskita.

Europio (Eu): de Europa.

Gadolinio (Gd): del mineral gadolinita, del químico finlandés Gadolin.

Terbio (Tb): de Ytterby, pueblo de Suecia.

Disprosio(Dy): del griego dysprositos, de difícil acceso.

Holmio (Ho): del latín Holmia (nombre romano de Estocolmo).

Tulio (Tm): de Thule, nombre antiguo de Escandinavia.

Lutecio(Lu): de Lutecia, antiguo nombre de París.

Hafnio (Hf): de Hafnia, nombre latín de Copenhague.

Tantalio (Ta): de Tántalo, un personaje de la mitología griega.

Wolframio (W): del inglés wolfrahm; o Tungsteno, del sueco tung sten, ‘piedra pesada’.

Renio (Re): del latín Rhenus (nombre romano del río Rin).

Osmio (Os): del griego osme, olor (debido al fuerte olor del OsO₄).

Iridio(Ir): de arco iris.

Platino (Pt): por su similitud a la plata (cuando en 1748 Antonio de Ulloa lo encontró en una expedición lo llamó "platina").

Oro (Au): de aurum, aurora resplandeciente

Mercurio (Hg): su nombre se debe al planeta del mismo nombre, pero su abreviatura es Hg porque Dioscórides lo llamaba «plata acuática» (en griego hydrárgyros, hydra: ‘agua’, gyros: ‘plata’).

Talio (Tl): del griego thallos, tallo, vástago o retoño verde.

Plomo (Pb): del latín plumbum.

Bismuto (Bi): del alemán weisse masse, masa blanca.

Polonio (Po): de Polonia, en honor al país de origen de Marie Curie, codescubridora del elemento, junto con su marido Pierre.

Astato (At): del griego astatos, inestable.

Radón (Rn): del inglés radium emanation (‘emanación radiactiva’).

Francio(Fr): de Francia.

Radio (Ra): del latín radius, ‘rayo’.

Actinio (Ac): del griego aktinos, ‘destello o rayo’.

Torio (Th): de Thor, dios de la guerra escandinavo.

Protactinio (Pa): del griego protos (primer) y actinium.

Uranio (U): del planeta Urano.

Neptunio(Np): del planeta Neptuno.

Plutonio (Pu): del planetoide Plutón.

Americio (Am): de América.

Curio (Cm): en honor de Pierre y Marie Curie.

Berkelio (Bk): de Berkeley, donde se encuentra una importante universidad californiana.

Californio (Cf): del estado estadounidense de California.

Einstenio(Es): en honor de Albert Einstein.

Fermio (Fm): en honor de Enrico Fermi.

Mendelevio (Md): en honor al químico ruso Dmitri Ivánovich Mendeléiev, precursor de la actual tabla periódica.

Nobelio (No): en honor de Alfred Nobel.

Lawrencio(Lr): en honor de E. O. Lawrence.

Rutherfordio (Rf):en honor a Ernest Rutherford, científico colaborador del modelo atómico y física nuclear.

Dubnio (Db): en honor al Joint Institute for Nuclear Research, un centro de investigación ruso localizado en Dubna.

Seaborgio (Sg): en honor a Glenn T. Seaborg.

Bohrio (Bh): en honor a Niels Bohr.

Hassio(Hs): se debe al estado alemán de Hesse en el que se encuentra el grupo de investigación alemán Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI).

Meitnerio (Mt): en honor a Lise Meitner, matemática y física de origen austríaco y sueco.

Darmstadtio (Ds): en honor al lugar donde fue descubierto, Darmstadt, en donde se localiza el GSI.

Roentgenio (Rg): en honor a Wilhelm Conrad Roentgen, descubridor de los rayos X.

Copernicio (Cn): en honor a Nicolás Copérnico, astrónomo polaco formulador de la teoría heliocéntrica.

Flerovio (Fl): en honor a Georgi Flerov, físico nuclear soviético

Livermorio (Lv): en honor al Lawrence Livermore National Laboratory

A partir del número atómico 113, se nombra a los elementos con la nomenclatura temporal de la IUPAC, en la que a cada elemento le corresponde como nombre su número en latín.

Posición de elementos químicos en la tabla periódica

Los metales se encuentran del lado izquierdo y al centro de la tabla periódica. Los no metales, que son relativamente pocos, se encuentran el extremo superior derecho de dicha tabla. Algunos elementos tienen comportamiento metálico y no metálico y se clasifican como metaloides y semimetales.Los no metales también tienen propiedades variables, al igual que los metales. En general los elementos que atraen electrones de los metales con mayor eficacia se encuentran en el extremo superior derecho de la tabla periódica.

Clasificación de los elementos químicos

La primera clasificación de elementos conocida fue propuesta por Antoine Lavoisier, quien propuso que los elementos se clasificaran en metales, no metales y metaloides o metales de transición. Aunque muy práctico y todavía funcional en la tabla periódica moderna, fue rechazada debido a que había muchas diferencias en las propiedades físicas como químicas.

Metales

Corresponde a los elementos situados a la izquierda y centro de la Tabla Periódica (Grupos 1 (excepto hidrógeno) al 12, y en los siguientes se sigue una línea diagonal quebrada que, aproximadamente, pasa por encima de Aluminio (Grupo 13), Germanio (Grupo 14), Antimonio (Grupo 15) y Polonio (Grupo 16) de forma que al descender aumenta en estos grupos el carácter metálico).

Carácterísticas

• Tienen un lustre brillante; diversos colores, pero casi todos son plateados.

• Los sólidos son maleables y dúctiles

• Buenos conductores del calor y la electricidad

• Casi todos los óxidos metálicos son sólidos iónicos básicos.

• Tienden a formar cationes en solución acuosa.

• Las capas externas contienen pocos electrones habitualmente tres o menos.

• Es preciso advertir que estos caracteres aunque muy generales tienen algunas excepciones como por ejemplo, el manganeso que siendo metal forma ácidos.

No Metales

Los no metales son los elementos situados a la derecha en la Tabla Periódica por encima de la línea quebrada de los grupos 14 a 17 y son tan solo 25 elementos. (Incluyendo el Hidrógeno). Colocados en orden creciente de número atómico, los elementos pueden agruparse, por el parecido de sus propiedades, en 18 familias o grupos (columnas verticales). Desde el punto de vista electrónico, los elementos de una familia poseen la misma configuración electrónica en la última capa, aunque difieren en el número de capas (periodos). Los grupos o familias son 18 y se corresponden con las columnas de la Tabla Periódica.

Carácterísticas

• Tienen tendencia a ganar electrones y los no metales tienden a ganar electrones para formar iones negativos.

• Poseen alto potencial de ionización y bajo peso específico

• Por regla general, en su último nivel de energía tienen de 4 a 7 electrones

• Se presentan en los tres estados físicos de agregación

• No poseen aspecto ni brillo metálico

• Son malos conductores de calor y la electricidad

• No son dúctiles, ni maleables, ni tenaces

• Se reducen por ganancia de electrones

• Sus moléculas están formadas por dos o más átomos

• Al unirse con el oxígeno forman anhídridos y éstos al reaccionar con el agua, forman oxiácidos

• Los halógenos y el oxígeno son los más activos

• Varios no metales presentan alotropía

Fuentes

1. Ponjuan. A. y otros: Química Inorgánica Tomo I, Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de La Habana. 1979.

2. Manual de Química Inorgánica y Analítica. Editorial Félix Varela La Habana 388p.

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