8.1: Clasificación Periódica de los Elementos

La tabla periódica organiza los átomos basándose en el número atómico creciente de forma que los elementos con las mismas propiedades químicas se repitan periódicamente. Cuando sus configuraciones electrónicas son añadidas a la tabla, se observa una recurrencia periódica de configuraciones electrónicas similares en las capas externas de estos elementos. Debido a que se encuentran en las capas externas de un átomo, los electrones de valencia juegan el papel más importante en las reacciones químicas. Los electrones externos son los electrones de mayor energía en un átomo y se pierden o comparten con más facilidad que los electrones centrales. Los electrones de valencia son también el factor determinante en algunas propiedades físicas de los elementos.

Las filas horizontales se conocen como períodos. A lo largo de un período, cada elemento consecutivo tiene un protón adicional en el núcleo y un electrón adicional en la capa de valencia. Las columnas verticales son grupos. Los elementos de un grupo (o columna) tienen el mismo número de electrones de valencia (Figura 1); los metales alcalinos litio y sodio tienen cada uno un solo electrón de valencia, los metales alcalinos berilio y magnesio tienen cada uno dos, y los halógenos flúor y cloro tienen siete electrones de valencia.  Es la pérdida, ganancia o compartición de electrones de valencia lo que define cómo reaccionan los elementos. La similitud en las propiedades químicas entre elementos del mismo grupo ocurre porque tienen el mismo número de electrones de valencia. 

Es importante recordar que la tabla periódica fue desarrollada sobre la base del comportamiento químico de los elementos, mucho antes de que cualquier idea de su estructura atómica estuviera disponible. Ahora se entiende la disposición de la tabla periódica; los elementos cuyos átomos tienen el mismo número de electrones de valencia están en el mismo grupo. Las secciones coloreadas de la Figura 1 muestran las tres categorías de elementos clasificados por los orbitales que se están llenando.

Figura 1: Esta versión de la tabla periódica muestra la configuración de cada elemento. Tenga en cuenta que, en cada grupo, la configuración suele ser similar.

Los elementos del grupo principal se denominan a veces elementos representativos. Estos son los elementos en los que el último electrón agregado entra en un orbital s o p en la capa más externa, que se muestra en azul y rojo en la Figura 1. Esta categoría incluye todos los elementos no metálicos, así como los metaloides y muchos metales. Los electrones de valencia para los elementos del grupo principal son aquellos con el nivel n más alto. Por ejemplo, el galio (GA, número atómico 31) tiene la configuración de electrones [Ar]4s²3d¹⁰4p¹, que contiene tres electrones de valencia (subrayados). Los orbitales d completamente llenos cuentan como electrones centrales, no como de valencia.

Las dos columnas del extremo izquierdo comprenden el bloque s y las seis columnas del extremo derecho constituyen el bloque p. Los gases nobles, que forman parte del bloque p, tienen ocho electrones de valencia, excepto el helio que tiene dos. Estos elementos son muy estables y no reactivos.

Elementos de transición o metales de transición: Son elementos metálicos en los que el último electrón agregado entra en un orbital d. Los electrones de valencia en estos elementos (aquellos agregados después de la última configuración de gas noble) incluyen los electrones ns y (n – 1) d. La definición oficial de la IUPAC de los elementos de transición especifica aquellos con orbitales d parcialmente llenos. Así, los elementos con orbitales completamente llenos (Zn, Cd, Hg, así como Cu, Ag, y Au en la Figura 1) técnicamente no son elementos de transición. Sin embargo, el término se utiliza con frecuencia para referirse a todo el bloque d (de color amarillo en la Figura 1).

El bloque d consta de 10 columnas. El número cuántico principal de los orbitales d que se llenan a lo largo de cada fila es igual al número de fila menos uno. En la cuarta fila, se llenan los orbitales 3ddy así sucesivamente.

Elementos de transición interna: Se muestran en verde en la Figura 1. Las capas de valencia de los elementos de transición interna consisten en las subcapas (n – 2)f, la (n – 1)d y las subcapas ns. Los elementos de transición interna constituyen el bloque f ya que el último electrón entra en un orbital f. El número cuántico principal de los orbitales f que se llenan a lo largo de cada fila es igual al número de fila menos dos. En la sexta fila, se llenan los orbitales 4f, y en la séptima fila, se llenan los orbitales 5f. Hay dos series de transición interna:

1. La serie lantánida: Lantánido (La) a través del lutecio (Lu)
2. La serie actínida: Actínido (Ac) a través del lawrencium (Lr)

Debido a sus similitudes con los otros miembros de la serie, el lantano y el actinio son incluidos y se usan para nombrar la serie a pesar de ser metales de transición sin electrones f.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 6.4: Estructura Electrónica de los Átomos.

Los electrones que ocupan la capa más externa de un átomo son los electrones de valencia, mientras que los electrones que ocupan los niveles principales de energía internos son los electrones centrales. Un átomo de sodio con una configuración electrónica 3s1 tiene tres niveles de energía principales. Los niveles de energía principales internos completos con 2s22p6 indican que hay diez electrones centrales seguidos por el tercer nivel más externo que contiene el electrón restante.

Por lo tanto, el sodio tiene un electrón de valencia. Del mismo modo, el cloro tiene diez electrones centrales y siete electrones de valencia. Los electrones de valencia son los más alejados del núcleo y se sostienen de forma más suelta.

Por lo tanto, son los más fáciles de perder o compartir y juegan un papel importante en la unión química. Los elementos que tienen el mismo número de electrones de valencia exhiben propiedades químicas similares, como se puede ver en la disposición en la tabla periódica moderna. Para los elementos del grupo principal, el número de grupo con letras es igual al número de electrones de valencia y el número de fila es igual al número de quantum principal más alto de ese elemento.

Cada elemento de un grupo tiene la misma cantidad de electrones disponibles para el enlace. Abajo del grupo, el número cuántico principal aumenta en uno, mientras que el número de electrones de valencia sigue siendo el mismo. Las dos columnas del extremo izquierdo de la tabla periódica constituyen el bloque s.

Para estos elementos, el último electrón entra en un orbital s. Los ementos del grupo uno excepto el hidrógeno se denominan metales alcalinos y son extremadamente reactivos ya que tienen un solo electrón de valencia. Los elementos del grupo dos son los metales alcalinotérreos con dos electrones en la capa de valencia.

Las seis columnas de la extrema derecha forman el bloque p. La capa de valencia de estos elementos ha ocupado completamente los orbitales s y el último electrón entra en el orbital p. Del grupo tres A al grupo ocho A, el número de electrones en los orbitales p aumenta en uno.

Los gases nobles tienen ocho electrones de valencia excepto el helio, que pertenece al bloque s, y solo tiene dos electrones. El bloque d consta de diez columnas colocadas entre el bloque s y el bloque p. Estos elementos se conocen como metales de transición.

El último electrón entra en el orbital d de la capa principal número uno menos el número de fila. En la cuarta fila, tres orbitales la completan, en la quinta fila, cuatro orbitales d, y así sucesivamente. Los elementos de transición internos constituyen el bloque f y hacen que el último electrón entre en un orbital f.

El número cuántico principal de los orbitales f que se llenan en cada fila es dos menos que el número de fila. En la sexta fila, los cuatro orbitales f se llenan, y en la séptima fila, se llenan los cinco orbitales f. Los elementos de transición internos están dispuestos en la serie de lantánidos y la serie de actínidos.

El número de columnas en cada bloque indica cuántos electrones se pueden llenar en el subnivel del bloque. Dos columnas en el bloque s se correlacionan con un orbital s con dos electrones, seis columnas en el bloque p que representan tres orbitales p con seis electrones, mientras que diez columnas en el bloque d corresponden a cinco orbitales d con dos electrones cada uno. Por último, el bloque f consta de catorce columnas indicando la capacidad máxima de siete orbitales f.