LOS ACTÍNIDOS Y LA CLASIFICACIÓN PERIÓDICA
por
León Garzón

- ABSTRACT:

- RESUMEN:

- ÍNDICE:

1.- Introducción:

La llamada ley periódica descubierta por Mendeléev y Lothar Meyer entre 1968 y 1970 y modificada posteriormente, gracias a los trabajos de Moseley (1913), establece que los valores de las propiedades de los cuerpos simples (así como los de sus combinaciones) varían periódicamente con el número atómico, Z.

Debido a varias circunstancias (Trifonov, 1981; Petrianov y Trifonov, 1981; Bensaude, 1984; Garzón, 1988), la mencionada ley ha gozado de un gran prestigio, que todavía se mantiene, a pesar de que se trata de una ley empírica y aproximada. Dicho prestigio se debe, por una parte, a las predicciones que con ella hizo el propio Mendeléev (que entusiasmaron a la sociedad de la época), y, por otra, a la interpretación que posteriormente se dio de la misma en términos de las estructuras de los átomos, estudiadas por Bohr y otros.

Un análisis de la ley llevado a cabo por el autor (Garzón, 1988, 1989) ha puesto de manifiesto que la hipótesis de Seaborg, según la cual la serie de los actínidos (desde el Ac al Lw) es análoga a la de los lantánidos, tropieza con serios inconvenientes que se hallan en la misma base de la periodicidad.

Cuando nuestros trabajos fueron publicados, sólo disponíamos de datos para cuatro propiedades de los actínidos, desconociéndose los de los elementos posteriores al Cm (Z = 96). Debido a esta circunstancia, y a la falta de valores de los estados de oxidación de los elementos posteriores al Cf, nuestras conclusiones, según decíamos en los trabajos mencionados, deberían considerarse provisionales, en tanto no se pudieran extender a más propiedades y se llegaran a conocer dichos estados de oxidación, ya que éstos podrían reforzar las citadas conclusiones.

Afortunadamente con el paso del tiempo hemos podido acceder a una excelente y abundante información acerca de las propiedades de los elementos, no sólo de sus valores numéricos, sino también de los gráficos (diagramas de Lothar Meyer) concernientes a sus variaciones con Z (Winter, 1996). Unos y otros nos han permitido establecer, creemos que con suficiente rigor, una ordenación de los últimos tramos de la Tabla periódica que difiere notablemente de la que se ha venido utilizando desde 1944 (Seaborg, 1967).

Anteriormente, Bohr había situado a los elementos Ac, Th, Pa y U a continuación del Ra; por consiguiente como elementos de transición (de una 4ª serie). Ciertos experimentos de separación de los transuránidos realizados por el radioquímico Seaborg, dentro del proyecto Manhattan, y una hipótesis " ad hoc" acerca de sus configuraciones electrónicas, le indujeron a admitir que se trataba de una serie de elementos análoga a la de los lantánidos; consecuentemente, la serie de elementos comprendidos entre el Ac (Z = 89) y el Lw (Z = 103), ambos inclusive, se colocaron en la Tabla periódica por debajo (y paralelamente), de la de aquéllos. Los siguientes elementos, Rf (Z = 104), Ha (Z = 105) Sg (Z = 106), Ns (Z = 107) y Mt (Z = 109) tuvieron necesariamente que situarse a continuación del Ac, es decir, como una 4ª serie de transición (figura 1). La ordenación de Seaborg es la universalmente aceptada. Al presentar los inconvenientes citados, opinamos que no solamente debe cuestionarse, sino ser sustituida por otra que esté libre de objeciones.

Tal es el objeto del siguiente trabajo que, además, viene a confirmar nuestras primeras investigaciones al respecto.

2.- La periodicidad de las propiedades:

Las representaciones gráficas de los valores de cualquier propiedad, P, en función de Z, constituyen, obviamente, la expresión de la ley periódica. ¿ Qué relación existe entre los diagramas (Z, P) y la Tabla periódica ? Debido a que usualmente los elementos análogos (alcalinos, alcalinotérreos......anfígenos, halógenos, etc.) se sitúan en las columnas (grupos), resulta evidente que los puntos figurativos correspondientes, en el diagrama, deberán poseer la misma fase, es decir, deberán ocupar posiciones análogas en cada periodo, y recíprocamente. Esta correspondencia presenta algunas anomalías, lo que indica que la ley subyacente es sólo aproximada.

El análisis empírico de los diagramas de Lothar Meyer muestra claramente que los puntos figurativos de los elementos pertenecientes a cada periodo se distribuyen en cada uno de éstos siguiendo una pauta determinada, que permite su clasificación en series de elementos.

A continuación dedicaremos unas líneas a este aspecto. Los dos periodos cortos (el 2º y 3º) constan de 8 elementos cada uno; sus puntos figurativos dibujan una curva que recuerda a la de una parábola, y cuya concavidad depende del tipo de propiedad. Las estructuras electrónicas corresponden a los orbitales s y p, en este orden. Los dos siguientes periodos, (el 4º y el 5º) constan de 18 elementos cada uno; los orbitales d dan cuenta de los 10 elementos extra. El orden en que se van ocupando los orbitales de esos periodos largos es el siguiente: s d p. En los diagramas se observa que los puntos figurativos correspondientes a los 18 elementos de estos periodos forman también una curva de aspecto parabólico en la que se advierte claramente la presencia de los seis puntos correspondientes a los orbitales p, pues sus formas son muy parecidas a las de los puntos correspondientes de los periodos cortos. Dicho de otra manera, las curvas de los periodos largos son compuestas, pues constan de una parábola muy abierta, formada por los dos puntos s y los seis puntos p . Entre los dos tramos se sitúa la parábola d. El siguiente periodo - el 6º- consta de 14 elementos más que los 4º y 5º. Corresponden a la saturación de los 7 orbitales f .

La secuencia de llenado de los orbitales es: s f d p o más explicitamente 6s (Cs, Ba), 4f (lantánidos), 5 d (3ª Serie de transición), 6p (Tl-Rn).

La mecánica cuántica y el Principio de exclusión de Pauli parecen dar cuenta de la estructura de la Tabla periódica. Suele enunciarse que "la periodicidad de las propiedades es una consecuencia de la de las estructuras atómicas". Esto es lo que se viene diciendo desde hace medio siglo. Sin embargo, vamos a ver que las cosas no son tan simples. Los problemas aparecen en el 7º periodo, presentándose como una paradoja. En efecto, pues si nos atenemos a la ley periódica teórica (la deducida mediante la mecánica cuántica y el Principio de Pauli), el 7º periodo debería ajustarse a la secuencia 7s (Fr, Ra), 5 f (los actínidos, Ac- Lw), 6 d (la 4ª serie de transición) y 6 p (113-118), que es, como puede comprobarse, paralela a la del 6º periodo.

Sin embargo, si nos atenemos a la ley empírica, esto es, a los hechos, el examen de los diagramas (Z, P) indica claramente que la secuencia anterior no es análoga a la del 6º periodo, o dicho de otro modo, que entre las series de los lantánidos (4f) y la de los actínidos (5f) no existen analogías pues los primeros dibujan una recta y los segundos una curva. En su lugar, los actínidos se muestran análogos a las series de transición y los (99-112) a los lantánidos. Nótese que los elementos s y los p (113-118) no cambian sus posiciones en ambos casos. Vemos aquí la gran estabilidad de los elementos representativos y gases inertes.

3.- El análisis de los datos:

Gracias al Departamento de Química de la Universidad de Sheffield (Winter, 1996), disponemos de una abundantísima información, que nos ha permitido llevar a cabo el análisis de la periodicidad de un gran número de propiedades, unas 20. A título de ejemplo en las figuras 2 y 3 hemos incluido los diagramas (Z, P) que consideramos más representativos y útiles en este trabajo. El lector que desee más información puede consultar esta dirección.

Una primera observación de los diagramas (Z, P) muestra las analogías y diferencias entre los sucesivos periodos, pudiéndose señalar que los lantánidos, al dibujar una recta, no se parecen a los actínidos del siguiente periodo, los cuales presentan una curva más parecida a una parábola .

Una segunda observación se refiere a ciertos aspectos concernientes al mismo fenómeno de la periodicidad, los cuales nos van a proporcionar algunos criterios útiles para determinar la naturaleza de los actínidos y la de los elementos posteriores

4.- Los resultados:

Si prescindimos mentalmente de los lantánidos se puede advertir que las tres curvas correspondientes a los elementos de transición son razonablemente parecidas. La primera de ellas presenta a veces una característica que la distingue de las dos series siguientes, según puede observarse en los diagramas.

Me refiero a la anomalía del Mn (Z = 25), para el cual el valor |P/P| es significativamente diferente del correspondiente para los elementos de la misma serie. Esta anomalía tiende a mantenerse en las siguientes series de transición, si bien de una manera menos marcada; se atribuye al hecho de que, la máxima estabilidad de la configuración electrónica corresponde a la mayor multiplicidad, d5 . En los lantánidos los picos del Eu e Yb serían debidos a la misma causa. Sus estructuras presentan las ordenaciones f5 y f10 respectivamente.

Resumiendo, podemos señalar que los gráficos (Z, P) indican la existencia de una doble periodicidad, la debida a la repetición de la naturaleza de los diversos orbitales, es decir, de los distintos valores del número cuántico l (para cada valor de n, número cuántico principal); y otra, más fina, que se podría atribuir a la repetición de los detalles inherentes a la ocupación de los orbitales d y f. Cabe esperar que a causa de la disminución del espaciado entre los niveles energéticos, al aumentar l, esta periodicidad fina sea cada vez menos acusada.

4.1.- Los actínidos y las series de transición:

En todos los gráficos que presentan puntos que, por lo menos, alcanzan el Cm (Z = 96), se puede comprobar que los actínidos dibujan una curva cuyas características se mantienen sin excepción para todas las propiedades. Estas características se refieren a la forma de la curva y a su posición relativa con respecto a las de otros periodos. Hemos de señalar que la forma se conserva tan claramente que, muchas veces, es posible, cuando las escalas lo permiten, obtener una exacta coincidencia mediante la superposición de los diagramas correspondientes. En cuanto a su posición relativa, se puede comprobar que su concavidad es coherente con la de las demás curvas, y también con los picos del Eu e Yb. Este análisis indica, con la suficiente fiabilidad, pues no existe niguna excepción, que el comportamiento de los actínidos es independiente de la propiedad que se considere, es decir, el mismo para todas las propiedades, comportamiento que es diferente del de los lantánidos.

La periodicidad fina nos va a permitir establecer, con mayor precisión, la analogía existente entre los actínidos y los elementos de transición.

Observando los gráficos correspondientes a la Temperatura de fusión, Conductividad térmica y Entalpía de vaporización, se puede constatar que la particularidad del punto figurativo del Mn (25) aparece en el Tc (43) Re (75) y Np (93), de manera más ostensible en éste que en los dos anteriores. Por otra parte, el Mn, Tc y Re se hallan situados en el mismo grupo de la Tabla periódica. En la serie de los actínidos aparece la misma señal. Por consiguiente, resulta razonable admitir que el Np es un elemento que pertenece al mismo grupo que el Mn, Tc y Re. Esto significa que debe formar parte de una serie análoga a las de transición, es decir, debe de ser una 4ª serie, con 10 elementos d, como las anteriores, por lo que finalizaría en el Cf (Z = 98).

Los 14 elementos lantánidos (Ce - Lu) quedan de momento aislados, pues los 10 actínidos, desde el Ac hata el Cf han pasado a ocupar, en la Tabla, los lugares correspondientes a los elementos Rf (104), Ha (105), Sg (106), Ns (107), Hs (108) y Mt (109), 110, 111 y 112. (Excepto los tres últimos, los demás tienen nombres). Debido al escaso número de átomos obtenidos y a su actividad, de muy corto periodo, se desconoce la mayoría de sus propiedades. Las que figuran en la bibliografía son estimaciones obtenidas a partir de su posición (arbitraria) en la Tabla periódica (véase figura 1).

4.2.- Lantánidos y einsténidos:

En unos pocos gráficos existen puntos representativos más allá del Z = 98, pudiéndonos servir, tomando las precauciones pertinentes, para tratar de inquirir si la serie que se inicia en Z = 99 y finaliza en Z = 112 (que llamaremos einsténidos) guarda alguna analogía con la de los lantánidos. La Conductividad térmica, la Entalpía de ionización y el Radio atómico muestran que, en efecto, los elementos 99 y siguientes podrían ser análogos a los lantánidos. El elemento 104, al formar un pico, podría ser el análogo del Eu.

Con objeto de apoyar nuestra hipótesis vamos a considerar una magnitud cuyos valores, al ser esencialmente enteros, serían, al menos en principio, más fiables que los anteriormente considerados. Me refiero a los estados de oxidación de los actínidos y lantánidos. Como es sabido, los estados de oxidación de los elementos fueron los pilares utilizados por Mendeléev en la construcción de su tabla periódica. Recordemos que los elementos de transición presentan las mayores multiplicidades en sus estados de oxidación y, en consecuencia, también los valores más grandes, comportamiento que discrepa del de los lantánidos, cuya multiplicidad es muy baja, siendo el estado 3+ el universalmente más estable (figura 4). Pues bien, los actínidos presentan un comportamiento similar al de los elementos de transición y, por consiguiente, discrepan del de los lantánidos. Simultáneamente, los estados de oxidación de los elementos posteriores al Cf (hasta el Rf (104)), son asombrosamente parecidos a los de los lantánidos, circunstancia que permite establecer que esta serie debe de ser análoga a la constituida por los elementos comprendidos entre el Es (99) y el Z = 112, ambos inclusive.

5.- Discusión:

La ordenación de los elementos que proponemos es el resultado del análisis de la ley periódica realizado gracias a los diagramas de Meyer que nos ha sido dable conseguir. La ley empírica, según hemos visto, deja de cumplirse en el 7º periodo que comprende aproximadamente un 30% del número total de elementos. En vista de esta situación, ¿ cúal sería el status de la ley periódica ?. Desde el punto de vista empírico la respuesta parece evidente: se trata de una ley experimental que se cumple bastante bien para los seis primeros periodos. Sin embargo, desde un punto de vista teórico, la respuesta no es tan simple.

Como es sabido, una característica de los niveles energéticos de los sistemas de la microfísica consiste en que el espaciado entre ellos disminuye progresivamente , de tal manera que convergen hacia un límite, que separa lo discreto de lo continuo. Aplicada al átomo, esta característica nos indica que para cada n (número cuántico principal idéntico al número del periodo en la Tabla), el espaciado entre los orbitales s, p, d, f,....disminuye con n y con l (recuérdese que l = 0, 1, 2,....n - 1).

Para el 7º periodo se tiene el mayor valor de n, por lo que cabe esperar que los orbitales f y d posean energías muy parecidas y en consecuencia no tendría mucho sentido "cuántico" establecer una diferencia entre ellos. Sea lo que fuere, el comportamiento observado sugiere que se llenan antes los orbitales d que los f; los primeros corresponden a los actínidos, Ac - Bk, y los segundos a los 14 elementos que siguen al Bk y finalizan en el Z = 112.

6.- Conclusiones:

La tabla periódica que damos en la figura 5, resume la nueva ordenación que proponemos para sus últimos tramos.

Nótese que esta tabla es mucho más coherente que la de Seaborg , pues siendo el estado de oxidación de los átomos su propiedad más relevante, está claro que los actínidos deben formar la 4ª serie de transición o, dicho de otra manera, formar parte del bloque d . En este bloque las analogías químicas no están por lo general tan bien definidas como para los bloques s y p. Fueron precisamente éstos los que entusiasmaron a Mendeléev en los comienzos de su clasificación. En cuanto al bloque f, una de las series es la de los lantánidos; la otra la hemos llamado de los einsténidos; se inicia en el Es y finaliza en el Z = 112. Las relaciones de grupo para este bloque, tan escasamente representado, pues sólo consta de dos series, apenas se conocen, reduciéndose, no obstante, a la más importante de ellas, a los estados de oxidación, los cuales por otra parte dejan de conocerse para el Rf (104) y siguientes. Podría pensarse, entonces, que el haberlos situado, como lo hemos hecho, ha sido arbitrario. Sin embargo, en apoyo de dicha colocación señalaremos, por una parte, que al ser desplazados de su posición inicial por los actínidos, su única ubicación es la que les hemos dado. Por otro lado, si los elementos Es, Fm, Md, No y Lr son paralelos a los lantánidos y de hecho sus estados de oxidación son idénticos, cabe esperar que el Rf y elementos posteriores pertenezcan a la misma serie y su estado de oxidación más estable es el 3+ . Si las estructuras de estos átomos siguen obedeciendo a la mecánica cuántica y al principio de Pauli, podemos adelantar que las medidas de los estados de oxidación indicarán que el estado más estable sea el mencionado.

No queremos dejar de mencionar, como una conclusión que puede ser importante, que el elemento 110, ó cualquier otro candidato a superelemento relativamente estable, deben considerarse en cuanto a sus posibles propiedades y eventual concentración en la Tierra, a la luz de la nueva ordenación que proponemos.

7.- Bibliografía:

Bensaude - Vincent, B.: " La génesis de la Tabla periódica ". Mundo Científico nº 42, vol. 4, 1984.

Fliorov, G. N. y Llinov, A. S.: "En el camino hacia los superelementos". Editorial Mir, Moscú, 1985.

Garzón, L.: "De Mendeléev a los superelementos ". Servicio de Publicaciones. Universidad de Oviedo, 1988.

Garzón, L.: "Los Actínidos ". Investigación y Ciencia nº 155, Agosto 1989.

Petrianov, I.V. y Trifonov, D. N.: " La Magna Ley". Editorial Mir, Moscú, 1981.

Puddephatt, R. J. and Monaghan, P. K.: "The Periodic Table of the elements". Second edition, Oxford, 1986.

Seaborg, G. T.: "Les eléméts Transuraniens Artificiels". Dunod, Paris, 1967.

Winter, M.: "The Web - Elements". Versión 2.0b4. Departement of Chemisty. University of Sheffield, Sheffield 537HF, England.

8.- Figuras:

Figura 1.- Tabla periódica según Seaborg
Figura 2.- Diagramas de Meyer para distintas propiedades de los elementos
Figura 3.- Diagramas de Meyer para distintas propiedades de los elementos
Figura 4.- Estados de oxidación de la 3ª serie de transición, de actínidos y lantánidos
Figura 5.- Tabla periódica según el autor


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