procedimiento general para la ubicación de los elementos químicos

Pedagogía Universitaria
Vol. XXI No. 1 2016
PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA UBICACIÓN DE LOS
ELEMENTOS QUÍMICOS EN LA TABLA PERIÓDICA DE 18
COLUMNAS
GENERAL PROCEDURE FOR THE LOCATION OF CHEMICAL ELEMENTS IN
THE PERIODIC TABLE OF 18 COLUMNS
M.Sc. y Lic. José Ramón Pérez Díaz
M.Sc. y Lic. José María Fernández García
Lic. Dianely Pimentel Garriga
Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría". La Habana. Cuba
pperez@quimica.cujae.edu.cu
Recibido 18/12/2015 Aprobado 11/04/2016
Palabras claves: Tabla periódica, Distribución electrónica, Regla de Hund y Regla de las
diagonales.
Key words: Periodic table, electronic distribution, Hund´s Rule and Rule of the Diagonals.
Resumen
El estudio de la relación entre estructura y propiedades de las sustancias es de gran
importancia en ingeniería, es por ello que el objetivo de este trabajo consiste en facilitar, desde
el punto de vista didáctico, la ubicación de los elementos en la tabla periódica a partir de su
distribución electrónica.
En esta investigación fueron empleados los métodos teóricos de análisis y crítica de fuentes y
el sistémico, junto con métodos empíricos como la observación y el criterio de expertos, con
los cuales se logró obtener un novedoso procedimiento general, que tiene la ventaja de unificar
los procedimientos existentes e incorporar a los programas de ingeniería el estudio de los
elementos denominados "Tierras raras", que tantas aplicaciones tienen en las tecnologías de
última generación.
Con su instrumentación se han logrado buenos resultados académicos en el aprendizaje de este
tema y la nueva propuesta constituye un modesto aporte en la enseñanza de la Química.
Abstract
The analysis of the relation between structure and properties of the substances is very
important in engineering. This paper objective is to provide, from the educational point of
view, the location of the elements in the Periodic Table, from its electronic distribution.
Some theoretical methods were applied during the investigation, such as the analysis and
criticism of the sources, the systemic method, as well as other empiric ones, such as the
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observation and the opinion of the experts. All these methods made possible the achievement
of an innovative general procedure that has the advantage of unifying those already existing
and incorporating the study of the elements named “rare soils” that have many applications in
last generation technologies.
With the implementation of this new procedure have achieved good academic results, in the
learning of the relationship between structure and properties of substances, these results
constitute a modest contribution to the teaching of chemistry.
INTRODUCCIÓN
El descubrimiento de la ley periódica y su expresión visual reflejada en la tabla periódica por
Dimitriv Ivanovich Mendeleiev en el siglo XIX, significó un paso de avance extraordinario en
el desarrollo de la química, al darle un decisivo impulso al descubrimiento de nuevos
elementos y sustancias, que han redundado en el bienestar de la humanidad.
La importancia de la tabla periódica ha trascendido de generación en generación, con un
continuo perfeccionamiento a lo largo del tiempo, tanto en el campo de las ciencias naturales
como en la Didáctica. En la actualidad uno de los primeros pasos en el aprendizaje de la ley
periódica, consiste en lograr que los estudiantes se apropien de los vínculos que existen entre
la distribución electrónica de los átomos de los elementos químicos y su posición en este
medio de enseñanza, por constituir la localización, identificación y explicación importantes
habilidades intelectuales en el estudio de sus propiedades y aplicaciones. Para ello se les
enseña a representar la configuración electrónica de los átomos, y luego, a determinar su
ubicación exacta en la tabla periódica de 18 columnas, para el estudio de sus propiedades.
Grupo 1 2
3 4
5
6
7
8
9
10
11 12 13 14 15 16 17 18
I II III IV V VI VII VIII VIII VIII
II III IV
VI VII VIII
IB
VA
A A B B B B B B B B
B A A
A A A
Periodo
1
1
H
2
He
2
3 4
Li Be
5
B
3
11 12
Na Mg
13 14 15 16 17 18
Al Si P S Cl Ar
4
19 20 21 22 23 24 25 26
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe
27 28
Co Ni
29 30 31 32 33 34 35 36
Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd
47 48 49 50 51 52 53 54
Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6
55 56 * 72 73 74 75 76
79 80 81 82 83 84 85 86
77
78
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
30
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Cs Ba
7
Hf Ta W Re Os Ir
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Pt
Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
87 88
104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
**
Fr Ra
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
Lantánidos *
Actínidos
**
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Fig.1 Tabla periódica de 18 columnas de los elementos químicos.
Para lograr ese propósito se emplean diferentes procedimientos didácticos, con el
inconveniente que para los elementos representativos, que son los que pertenecen a las
columnas indicadas en la parte superior por la letra A, se usa uno que difiere marcadamente
del utilizado para la sección de los elementos de transición, que son los que están localizados
en la parte central de la tabla periódica e identificados sus grupos por la letra B.
Por otro lado, los elementos de transición interna no eran incluidos en este tema porque no se
disponía de un procedimiento didáctico que facilitara el vínculo entre las configuraciones
electrónicas y la posición de los elementos en la tabla periódica, a pesar de que muchos de
ellos forman parte de materiales que son de gran importancia para las carreras de ingeniería.
A grandes rasgos ese es el problema científico que dio origen a esta investigación y en la cual
se utilizó un conjunto de métodos científicos de investigación entre los cuales la observación,
el criterio de expertos, el análisis y la síntesis son los más relevantes.
Por todas las contradicciones expresadas y las dificultades enfrentadas en el proceso de
enseñanza aprendizaje de la tabla periódica desde el punto de vista didáctico, es que surge
como objetivo en esta investigación la búsqueda de un procedimiento general que facilite la
ubicación exacta de todos los elementos químicos en la tabla periódica de 18 columnas a partir
de sus distribuciones electrónicas.
DESAROLLO
La tabla periódica de la figura 1 constituye un híbrido de dos variantes que son muy utilizadas
universalmente. Varios autores extranjeros, entre ellos (STRATHEN, 2000), (ROMÁN,
2002), (MUÑOZ y SÁNCHEZ, 2003) y (SCERRI, 2006) prefieren la utilización de la tabla
periódica extendida que se representa en la parte superior solamente por números naturales
del 1 al 18, en correspondencia con el número de columnas. Esta variante tiene la ventaja de
que no requiere del uso de las series A y B, pero en Cuba, la más usada es la que identifica a
los grupos con números romanos del I al VIII, que a su vez están acompañados por las letras
mayúsculas A o B, que permiten diferenciar perfectamente a la sección de los elementos
clasificados como representativos de los de transición.
No obstante, ninguna de las dos variantes facilita el estudio de la sección de los elementos de
transición interna a partir de la configuración electrónica de los átomos. Esta sección es la que
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agrupa a los símbolos en dos filas independientes situadas en la parte inferior de la tabla y
cuyas columnas no están encabezadas por ninguno de los dos tipos de números analizados.
Para profundizar en esa deficiencia y las interioridades que formaron parte del problema
científico de investigación, es necesario primeramente recordar los principales contenidos
sobre estructura atómica, distribución electrónica de los átomos y la tabla periódica, que
conforman el primer tema de estudio de los programas de Química en las carreras de la
Facultad de Ingeniería Eléctrica, del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría de
la provincia de La Habana, que fue el lugar escogido para desarrollar la investigación.
Este tema de estudio está formado por un sistema de conocimientos, definido este concepto
por (RODRÍGUEZ, 2003) como "…conjunto de conocimientos cuyas particularidades
guardan un estrecho vínculo interno". Dicho sistema constituye la base sobre la cual descansa
el estudio de las propiedades y aplicaciones de las sustancias químicos que forman parte de los
materiales de ingeniería, que son esenciales para la enseñanza y el aprendizaje de la Química
Aplicada a las carreras de eléctrica.
Por ejemplo, en el estudio de las secciones en que se divide la tabla periódica, se puede
apreciar en la siguiente figura 2 que las zonas están visiblemente diferenciadas por colores,
según la ubicación del electrón diferenciante en el subnivel de energía de la configuración
electrónica de los átomos, definido el concepto de electrón diferenciante desde la enseñanza
media como el último electrón de la distribución electrónica.
Fig. 2. Secciones de la estructura de la tabla periódica de 18 columnas.
De esa forma cuando el electrón diferenciante está situado en un orbital de tipo ¨s o p¨ los
elementos son clasificados como representativos. Esta sección está conformada por dos
bloques, el ¨s¨ de color azul, situado a la izquierda, que incluye solamente a los
representativos, cuyas distribuciones electrónicas terminan en un subnivel de energía de ese
tipo, mientras que el siguiente bloque, de color amarillo y situado a la derecha, está formado
por las configuraciones electrónicas que terminan en el subnivel de energía ¨p¨.
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Para determinar la posición en la tabla periódica de un elemento representativo, según el
procedimiento tradicional, se procede primeramente a representar la distribución electrónica
de sus átomos. Por ejemplo para el elemento nitrógeno, de símbolo N y número atómico (Z =
7), su estructura por la notación nlx es 1s2 2s22p3, luego se identifica dónde está situado el
electrón diferenciante, que en este caso debe ser uno de los tres electrones 2p, por ser este
subnivel de energía el que está situado al final de la configuración electrónica y con toda esta
información se llega a la conclusión que es un elemento representativo, situado en el cuadrante
donde se interceptan la columna VA (por sus 5 electrones en el último nivel de energía) y la
fila 2 (por tener dos niveles de energía).
En resumen, los elementos representativos en la tabla periódica son identificados por la letra
A y su posición está determinada por la intercepción de columnas y filas. Los grupos están
encabezados por números romanos del I al VIII, que expresan el número total de electrones
que tienen sus átomos en el último nivel de energía y los períodos son las filas horizontales
identificadas en uno de sus extremos con los números naturales del 1 al 7, que indican en cada
caso el número total de niveles de energía que presentan los átomos en su envoltura.
La sección de los elementos metálicos de transición está situada en la parte central de la tabla
de la figura 2, formada por un solo bloque de tipo ¨d¨ y de color carmelita, lo cual significa
que la distribución electrónica de los átomos de sus elementos tiene situado el electrón
diferenciante en un orbital d. En este bloque el concepto de período mantiene el mismo
significado expresado en la sección de los elementos representativos, pero los grupos ahora
están encabezados con los números romanos del IB al VIIIB, donde la letra B refleja que son
de transición, pero en esta sección el significado del número romano no siempre coincide con
el total de electrones en el último nivel de energía.
Para esclarecer aún más sobre esta sección, observen lo que ocurre en el ejemplo del elemento
hierro, de símbolo Fe y número atómico Z=26, la distribución electrónica inicial que le
corresponde a sus átomos por la Regla de las Diagonales es:
1s2 2s22p6 3s23p6 4s2 3d6
pero después de reordenada por niveles de energía finalmente resulta:
1s2 2s22p6 3s23p63d6 4s2
Aquí se puede apreciar que el electrón diferenciante está situado en el subnivel incompleto
3d6, por tanto su ubicación corresponde al bloque ¨d¨ de los elementos de transición, además
como tiene en total 4 niveles de energía su período es 4, pero su grupo no es IIB por tener un
total de 2 electrones en el último nivel de energía, sino VIIIB, con un significado
evidentemente diferente al analizado en los elementos representativos y cuya contradicción
será explicada más adelante.
Los elementos de la sección de transición interna, también denominados elementos similares
por la semejanza que presentan sus propiedades, están localizados en el bloque ¨f¨ de color
violeta, denominado así porque el electrón diferenciante está ubicado en el subnivel de energía
f de sus estructuras electrónicas.
Este bloque presenta algunas características peculiares que lo distingue de los dos anteriores.
En primer lugar resalta en la tabla de la figura 1, que todos sus elementos se encuentran
localizados en solo dos cuadrantes del grupo IIIB. Los del período 6 aparecen señalado con un
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asterisco, mientras que los del período 7 tienen dos asteriscos, que al ser extraídos de dichas
posiciones conforman las dos filas alargadas situadas en la parte inferior de la tabla periódica.
En el cuadrante del grupo IIIB y período 6 están situados un total de 15 símbolos químicos,
pero el primero, el lantano (La y Z=59), posee una estructura electrónica simplificada sin
reordenar [Xe] 6s25d1, donde perfectamente se puede apreciar que su electrón diferenciante
está ubicado en el subnivel incompleto d y por tanto es de transición. Los otros 14 elementos
son los que van desde el cerio (Ce y Z = 58) hasta el lutecio (Lu y Z = 71), conformando la
primera fila de los elementos de transición interna, conocida con el nombre ¨Lantánidos¨ por
ser este elemento el que está situado en su parte inicial.
Desde el punto de vista de su configuración electrónica, el cerio es el primer elemento de esta
sección porque su electrón diferenciante se ubica en un subnivel f, como se puede apreciar en
su representación electrónica simplificada real [Xe] 6s2 5d1 4f1, detalle que se repite en el resto
de los elementos de la primera fila. Una explicación similar presentan los elementos de la
segunda fila de transición interna, denominada ¨Actínidos¨.
El nombre de la sección de transición interna obedece a que todos sus elementos están
situados en el interior de los cuadrantes indicados por asteriscos en la figura 1, pertenecientes
al bloque de los elementos de transición. Ya en la figura 2, estos elementos aparecen
desplegados en la parte inferior de la tabla, con dos filas alargadas que responden a los
períodos 6 y 7, de color violeta y con catorce cuadrantes cada una, coincidiendo dicho número
con la máxima cantidad de electrones que caben en los siete orbitales del subnivel de energía
f, pero sus columnas no son identificadas en su parte superior por números, como ocurre en el
resto de las secciones estudiadas.
Algunos autores expresan que la ubicación de los elementos de transición interna corresponde
a dos pilas de 15 elementos cada una, situados en una tabla periódica de forma tridimensional,
con el objetivo de poder situar los cuadrantes uno encima del otro, formando así dos columnas
encima de los símbolos del lantano y el actinio que crecen verticalmente hacia arriba. De esa
forma, al colocarlos en dichas posiciones según el incremento del número atómico de los
elementos, forman una imagen en perspectiva que se eleva sobre la superficie una tabla
periódica plana.
A todo este conjunto de conocimientos recordados, ahora es necesario agregar que el proceso
de ubicación de los elementos en la tabla periódica a partir de sus configuraciones
electrónicas, tiene el inconveniente de que se enseña en las aulas por medio de procedimientos
didácticos diferentes, de acuerdo a la clasificación de los elementos químicos.
Para los representativos, el grupo está determinado por la suma de los electrones del último
nivel de energía, mientras que para los de transición es necesario efectuar otras operaciones
más complejas. Por ejemplo, para el hierro, de símbolo Fe y de distribución electrónica
simplificada [Ar] 3d6 4s2, el período será 4 por tener cuatro niveles de energía, pero para
determinar el grupo es necesario escoger una de las siguientes reglas:
•
Si la suma de los electrones del subnivel 3d con los del 4s fueran 3, 4, 5, 6 ó 7 los grupos
serían IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB respectivamente.
•
Si la suma fuera 8, 9 o 10 el grupo correspondiente sería VIIIB, que agrupa a tres
columnas seguidas, según el orden creciente de los números atómicos de los elementos.
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•
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Si la suma fuera 11 ó 12 los grupos serían IB y IIB, en ese orden.
Evidentemente el hierro se ajusta a la segunda regla, por tanto estará ubicado en la sección de
los elementos de transición, en la primera columna del grupo VIIIB y en el período 4.
Otro problema confrontado es que en el proceso de búsqueda de información sobre el tema, no
se encontró en la bibliografía consultada un procedimiento didáctico para enseñar a los
estudiantes a ubicar con precisión a los elementos de transición interna del bloque ¨f¨, lo cual
limita el estudio de los denominados ¨Tierras raras¨, que son 17 en total e incluyen a los 15
lantánidos.
Desde el punto de vista histórico, el conocimiento de las propiedades y aplicaciones de los
elementos de transición interna, estuvo limitada durante la primera mitad del siglo XX por el
lento descubrimiento de las sustancias que los contenían, lo difícil que resultaba su separación
del estado natural y su posterior refinación industrial, todo esto debe haber influido en los
pocos estudios didáctico realizados sobre la relación estructura electrónica posición de los
elementos en la tabla periódica. Pero ya en la segunda mitad, y sobre todo en la etapa final de
dicha centuria, el número de aplicaciones fue creciendo constantemente, de forma tal que en la
actualidad no existe un dispositivo electrónico de alta tecnología, o un simple equipo
electrodoméstico moderno donde no participe un elemento de las tierras raras, lo cual era un
reto por la necesidad de profesionalizar la enseñanza de la Química.
Para darle solución a todo lo analizado, en esta investigación se propone un nuevo
procedimiento general para la ubicación de los elementos químicos en la tabla periódica de 18
columnas, que está fundamentado en la posición que ocupa el electrón diferenciante en la
estructura de los átomos por el sistema de casillas cuánticas, de ahí que se le denomine
"Procedimiento del electrón diferenciante para la ubicación de los elementos en la tabla
periódica".
Este procedimiento toma como fundamento teórico los tres principios básicos para la
distribución electrónica por la notación nlx, según se expresa en el texto de Química General
para las carreras de ingeniería (LARA, 2004) "El Principio de exclusión de Pauli, la Regla de
máxima multiplicación de Hund y el Principio de construcción".
Derivado de estos tres principios teóricos, y a grandes rasgos, se puede resumir que en cada
orbital caben como máximo dos electrones con espines opuestos, que el número máximo de
orbitales por subnivel de energía es: 1 para el subnivel s, 3 para el p, 5 para el d y 7 para el f,
además, que al efectuar la distribución de los electrones hay que tener en cuenta que ellos
tienden en un subnivel de energía a ocupar el número máximo de orbitales. Basado en estos
conocimientos elementales es posible representar a los electrones de valencia de los átomos
por un sistema de casillas cuánticas, para evidenciar de forma práctica la posición del electrón
diferenciante dentro de una configuración electrónica compleja.
El nuevo procedimiento está basado en la representación de los electrones de valencia de los
elementos químicos por medio de flechas en el sistema de casillas cuánticas y su dirección
está en correspondencia con el signo del valor de su espín. Para los elementos representativos
fue creada la siguiente plantilla, que está muy bien ajustada a los conocimientos anteriormente
explicados sobre los bloques ¨s¨ y ¨p¨.
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Como se puede apreciar en la siguiente figura, se incluyen los grupos IA y IIA por encima y
por debajo de la casilla cuántica, que representa al único orbital del subnivel de energía s.
Además está separada del bloque ¨p¨ de forma semejante a la separación que tienen estos dos
bloques en la tabla periódica de 18 columnas. También se respetó e1 orden de los números
romanos que identifican a los grupos, lo único que se mueve hacia la parte inferíos de las
casillas algunos números, por la capacidad que poseen los orbitales de asimilar un segundo
electrón con espín opuesto, en correspondencia con el Principio de exclusión de Pauli.
IA
IIIA IVA VA
IIA
VIA VIIA VIIIA
Fig. 3 Plantilla para la ubicación de los elementos representativos en la tabla periódica.
Los pasos a seguir son sencillos, todo consiste en representar por medio de flechas a los
electrones de valencia de los elementos, distribuyéndolos según la Regla de Hund, para que la
saeta del electrón diferenciante indique el grupo donde está ubicado dicho elemento en la
tabla periódica. Por ejemplo el calcio, de distribución electrónica simplificada [Ar] 4s2, el
electrón diferenciante señala el grupo IIA:
IA
IIIA IVA VA
↑↓
IIA
VIA VIIA VIIIA
Fig. 4 Primer ejemplo de la representación de un elemento representativo.
En el caso del fósforo, de símbolo P y Z = 15, le corresponde la distribución electrónica
simplificada [Ar] 3s23p3 y al efectuar su representación por el sistema de casillas cuánticas, el
electrón diferenciante señala al grupo VA como su posición:
IA
↑↓
IIA
IIIA IVA VA
↑
↑
↑
VIA VIIA VIIIA
Fig. 5 Segundo ejemplo de la representación de un elemento representativo.
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En la sección de transición, los grupos se enumeran con un orden especial en la tabla periódica
de 18 columnas, observen en la figura 1 que el primer grupo comienza por el grupo IIIB y
termina en el IIB, la plantilla en este caso responde a los cinco orbitales que forman parte de
subnivel d y el orden de los números romanos siguen dicha secuencia:
IIIB
IVB
VB
VIII1 VIII2 VIII3B
VIB
VIIB
IB
IIB
Fig. 6 Plantilla para la representación de un elemento de transición.
Siguiendo el mismo procedimiento empleado en los elementos representativos, para el hierro,
de símbolo Fe y Z=26, la distribución electrónica simplificada que le corresponde es [Ar]
3d64s2. Aquí se puede apreciar que el electrón diferenciante está ubicado en el subnivel 3d6,
único subnivel que está incompleto, pero de esos 6 electrones sólo el último, con espín
negativo, representa el electrón diferenciante y su saeta señala el subgrupo VIIIB1, donde el
subíndice 1 permite diferenciarlo del resto de los otros dos subgrupos del grupo VIIIB
IIIB
IVB
VB
VIB
VIIB
↑↓
↑
↑
↑
↑
IB
IIB
VIII1 VIII2 VIII3B
Fig. 7 Ejemplo de la representación de un elemento de transición.
Es pertinente aclarar que la ubicación en la tabla periódica de los elementos de transición, se
efectúa a partir de la distribución electrónica que se obtiene al aplicar el principio de
construcción según la regla de las diagonales. En esta investigación se define la configuración
electrónica ideal como la que se obtiene de la aplicación teórica del principio de construcción,
diferenciándola así de otros conceptos que se manejan en Didáctica sobre las estructuras
electrónicas de los átomos.
Es conocido que la configuración electrónica real o verdadera de un elemento químico
depende de varios factores, entre los que se encuentra las propiedades de las sustancias y que
se obtiene después de un profundo estudio con la ayuda de modelos matemáticos avanzados de
la Teoría Cuántica y cuyos resultados teóricos son confirmados de forma experimental. Sobre
este aspecto en (Cedrón, 2010) se expresa ¨En algunas ocasiones, la configuración electrónica
de un elemento difiere de la esperada siguiendo el principio de construcción¨, existiendo en la
práctica varios elementos que sus configuraciones no se corresponden con la obtenida a partir
de la regla de las diagonales, como ocurre con el cromo, el cobre, la plata, entre otros 10
elementos de transición. Entre ellos el paladio ( Pd y Z = 46 ) es un caso muy especial, con
una configuración electrónica real:
1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p64d10 o en forma simplificada [Kr] 4d10
en la cual se agrupan 18 electrones en el último nivel de energía, es única de su tipo, y se le
asigna tal disposición especial y no otra, por sus propiedades diamagnéticas.
En la sección de transición interna la mayoría de sus elementos presentan anomalías en sus
estructuras. (LEÓN, 1991) al referirse a esas distribuciones electrónicas expresó: ¨estas
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irregularidades se hacen más frecuentes al aumentar el número de niveles de energía porque el
espaciamiento entre las energías de los orbitales se hace más pequeño, y a veces, la energía
cambia a media que la carga nuclear aumenta, el resultado es que se hace difícil predecir con
seguridad la configuración electrónica de elementos de elevado número atómico¨.
Para esclarecer aún más las ideas anteriores observen lo que le ocurre el elemento cromo (Cr y
Z = 24), cuya distribución electrónica ideal a partir del principio de construcción o de Aufbau
es 1s2 2s22p6 3s23p63d44s2, que en forma simplificada sería [Ar] 3d44s2. Sin embargo, la
configuración electrónica real que le corresponde finalmente es [Ar] 3d54s1, en la cual un
electrón del subnivel 4s2 ha pasado al subnivel 3d5 para obtener una estructura más estable,
con subniveles de energía semicompletos que reflejan, en ambos casos, la mitad del número
máximo de electrones que pueden admitir. El cromo, junto a los elementos de transición
molibdeno, cobre, plata y oro conforman los principales exponentes de la regla de estabilidad
de los átomos, que expresa que los subniveles de energía completos y semicompletos son más
estables que los incompletos.
De todo lo analizado en el ejemplo anterior puede extraerse como conclusión preliminar que el
nuevo procedimiento presentado como aporte en esta investigación, sólo es válido cuando se
aplica a la configuración electrónica ideal de los elementos, la que surge teóricamente de la
aplicación de las reglas de las diagonales por el principio de construcción, puesto que la real es
impredecible.
Para continuar con el estudio de los elementos de transición interna y seguir el mismo orden
de las explicaciones, a continuación se presenta la plantilla para ubicar en la tabla periódica a
los elementos de bloque ¨f¨. Siguiendo fielmente sus características, recuerde que el subnivel
de energía f está constituido por 7 orbitales atómicos, su capacidad máxima es de 14
electrones en total, por tanto su plantilla debe estar formada por 7 casillas cuánticas
representativas de los 14 elementos que forman cada una de sus dos filas. En ella se puede
apreciar la introducción de algunos cambios en la simbología, que requieren una
argumentación:
1C
2C
3C
4C
5C
6C
7C
8C
9C
10C
11C
12C
13C
14C
Fig. 8 Plantilla para la representación de un elemento de transición interna.
Como todos los elementos de transición interna están localizados en el grupo IIIB de la tabla
periódica, en la plantilla se han representado números naturales encima de las casillas
cuánticas en lugar de números romanos, porque ahora reflejan subgrupos y no grupos, con una
escala que va del 1 al 14 por ser catorce y no quince el número de Lantánidos y Actínidos que
forman los elementos de transición interna de esas dos filas. La letra C tiene un significado
semejante al explicado para las series A y B, expresan que los símbolos situados en cada uno
de los cuadrantes pertenecen a la sección de los elementos de transición interna.
Ahora bien, observen en la tabla periódica de la figura 1, que las dos filas de esta sección se
inician con los símbolos La y Ac, cuyas configuraciones electrónicas ya fueron analizadas y
quedó demostrado que correspondían a elementos de transición, por tanto es necesario
extraerlos para llevarlos a sus cuadrantes de origen, que son los identificados con asteriscos,
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por ser éstas sus verdaderas posiciones. De esa forma quedan en la parte inferior las dos filas
con los 14 elementos de transición interna en cada una de ellas.
Sobre la base de los argumentos anteriores es que surge la idea de agregar una nueva regla al
nuevo procedimiento general, que consiste en restarle un electrón al subnivel f de la
configuración electrónica ideal de los elementos de transición interna, permitiendo así
ubicarlos con exactitud en la tabla periódica. Después de esa operación se siguen los pasos
normales, se efectúa la distribución de los electrones en las casillas cuánticas y el electrón
diferenciante indica la posición del elemento en el subgrupo.
Por ejemplo, el Gadolinio (Gd y Z= 64) le corresponde según la regla de las diagonales la
distribución electrónica simplificada ideal [Xe] 4f86s2. Si se le resta una unidad a los
electrones del subnivel f, resulta finalmente [Xe] 4f76s2, que al efectuar la distribución de los
siete electrones por el sistema de casillas cuánticas del subnivel f, el electrón diferenciante
representado por la flecha roja indica la ubicación de dicho elemento en la tabla periódica, que
es: Grupo IIIB, subgrupo 7C y período 6.
1C
2C
3C
4C
5C
6C
7C
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
8C
9C
10C
11C
12C
13C
14C
Fig. 9 Ejemplo de la representación de un elemento de transición interna.
Al Situar finalmente el símbolo del gadolinio en la tabla periódica, la ubicación que le
corresponde en las dos filas de transición internas es:
1C
2C
3C
4C
5C
6C
7C
8C
9C
10C
11C
12C 13C
14C
Gd
Fig. 10 Posición de un elemento de transición interna en la tabla periódica.
Ahora se puede observar en la figura 10 los cuadrantes de los elementos de transición interna,
según la nueva simbología, donde se destacan los 14 subgrupos con los números naturales
acompañados de la letra C, identificando con una mayor precisión en la posición de cada uno
de estos elementos.
Sólo resta por expresar, que el "Procedimiento del electrón diferenciante" se ha empleado
durante varios años en la enseñanza de la tabla periódica con los estudiantes de ingeniería de
la Facultad de Eléctrica, especialmente en la carrera de Ingeniería Automática en el curso
escolar 2014-2015, donde fue estudiada su efectividad por medio de un cuasi experimento,
comprobándose
que su correcta aplicación favorece la obtención de resultados
significativamente superiores en el grupo experimental.
CONCLUSIONES
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Pedagogía Universitaria
Vol. XXI No. 1 2016
El principal aporte de la investigación está determinado por un nuevo procedimiento
denominado "Procedimiento del electrón diferenciante", para el estudio de la interrelación
entre la estructura electrónica y la posición de los elementos químicos en la tabla periódica de
18 columnas.
Este procedimiento ha ganado adeptos en su utilización, porque desde el punto de vista
didáctico, tiene grandes ventajas. Por un lado permite unificar en un solo procedimiento
general varios procedimientos puntuales, que históricamente se han utilizado en la enseñanza
de la Química, y por el otro incorpora al estudio de este tema a los elementos de transición
interna, junto con las denominadas tierras raras, que presentan importantes aplicaciones en el
campo de la electrónica moderna del siglo XXI.
Además, es importante resaltar que su implementación tiene la gran ventaja de que no requiere
de nuevos contenidos en el proceso de enseñanza aprendizaje, sólo es necesario combinar de
una forma diferente el mismo sistema de conocimientos de los viejos procedimientos, para
lograr mejores resultados en el estudio de este tema.
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