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Introducción
Hoy se conocen 118 elementos químicos. Para estudiarlos, los científicos los ordenan en la tabla periódica, una herramienta que permite saber de un vistazo cómo es un elemento y cómo se comportará. En esta lección aprenderás cómo está organizada y cómo se relaciona la posición de un elemento con la estructura de sus átomos.
Explicación
Un poco de historia. En 1869, Dmitri Mendeléyev ordenó los elementos conocidos por su masa atómica y colocó en la misma columna los que tenían propiedades parecidas. Dejó huecos para elementos aún no descubiertos y predijo sus propiedades. Más tarde, en 1913, Henry Moseley demostró que el criterio correcto es el número atómico (Z), y así se ordena la tabla actual.
Periodos y grupos
Las filas horizontales son los periodos. Hay 7. El número del periodo coincide con el número de capas (niveles de energía) ocupadas por electrones. Por ejemplo, el sodio (2, 8, 1) tiene tres capas: está en el periodo 3.
Las columnas son los grupos. Hay 18. Los elementos de un mismo grupo tienen el mismo número de electrones de valencia (electrones de la última capa) y, por eso, propiedades químicas parecidas.
En los grupos 1 y 2 el número de electrones de valencia coincide con el número del grupo; en los grupos 13 a 18 es el número del grupo menos 10 (el grupo 17 tiene 7 electrones de valencia). El helio es una excepción: tiene 2.
Grupos con nombre propio
Grupo 1: alcalinos (Li, Na, K…), metales muy reactivos. El hidrógeno se coloca en este grupo, pero no es un metal.
Grupo 2: alcalinotérreos (Be, Mg, Ca…).
Grupos 3 a 12: metales de transición (Fe, Cu, Zn, Ag, Au…).
Grupo 16: anfígenos (O, S…).
Grupo 17: halógenos (F, Cl, Br, I), no metales muy reactivos.
Grupo 18: gases nobles (He, Ne, Ar…), muy poco reactivos porque su última capa está completa.
Los lantánidos y actínidos se colocan en dos filas aparte, debajo de la tabla, para que no quede demasiado ancha.
Metales, no metales y semimetales. Una línea en escalera separa los metales (a la izquierda, la mayoría de los elementos: brillantes, buenos conductores, sólidos salvo el mercurio) de los no metales (a la derecha: malos conductores, muchos son gases). Junto a la escalera están los semimetales (B, Si, Ge, As…), con propiedades intermedias.
Ejemplo
Ejemplo 1. ¿Dónde está el elemento de Z = 15?
Paso 1: reparte sus 15 electrones en capas: 2, 8, 5. Paso 2: tiene 3 capas, luego está en el periodo 3. Paso 3: tiene 5 electrones de valencia y es un elemento de los grupos 13-18, así que está en el grupo 5 + 10 = 15. Es el fósforo (P), un no metal.
Ejemplo 2. El magnesio (Z = 12) tiene la configuración 2, 8, 2: está en el periodo 3 y en el grupo 2 (alcalinotérreos). Por eso se parece químicamente al calcio (Z = 20, configuración 2, 8, 8, 2), que también tiene 2 electrones de valencia.
Ejercicios
Un elemento tiene la configuración electrónica 2, 8, 6. ¿En qué lugar de la tabla periódica se encuentra?
¿En qué grupo de la tabla periódica están los halógenos (flúor, cloro, bromo y yodo)?
Material adicional
Trabajo, energía y potencia
En física, el concepto de trabajo tiene un significado muy preciso: se realiza trabajo cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo y lo desplaza. Si no hay desplazamiento, no hay trabajo (aunque haya fuerza).
Trabajo mecánico
🔬 Fórmula clave
Trabajo:
W = F · d · cos α
donde W = trabajo (J), F = fuerza (N), d = desplazamiento (m), α = ángulo entre la fuerza y el desplazamiento.
Si la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección (α = 0°): W = F · d
• W > 0 (trabajo positivo): la fuerza favorece el movimiento (motor). • W < 0 (trabajo negativo): la fuerza se opone al movimiento (resistente, como el rozamiento). • W = 0: la fuerza es perpendicular al desplazamiento (como la normal o la fuerza centrípeta).
📘 Ejemplo resuelto
Se empuja una caja con una fuerza de 100 N durante 5 m en la misma dirección del desplazamiento. ¿Qué trabajo se realiza?
W = F · d = 100 × 5 = 500 J
📘 Ejemplo resuelto
Se arrastra una caja con una fuerza de 200 N que forma un ángulo de 60° con la horizontal durante 8 m.
W = F · d · cos α = 200 × 8 × cos 60° = 200 × 8 × 0,5 = 800 J
Energía cinética y teorema del trabajo-energía
🔬 Fórmula clave
Energía cinética: Ec = ½ · m · v²
Teorema del trabajo-energía: Wneto = ΔEc = Ec,final − Ec,inicial = ½ · m · v² − ½ · m · v₀²
El trabajo neto realizado sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética.
Energía potencial gravitatoria
🔬 Fórmula clave
Ep = m · g · h
donde m = masa (kg), g = 9,8 m/s², h = altura respecto a un nivel de referencia (m).
Energía mecánica y su conservación
La energía mecánica (Em) es la suma de la energía cinética y la potencial:
🔬 Fórmula clave
Em = Ec + Ep = ½ · m · v² + m · g · h
Principio de conservación de la energía mecánica (sin rozamiento): Em,inicial = Em,final ½ · m · v₁² + m · g · h₁ = ½ · m · v₂² + m · g · h₂
📘 Ejemplo resuelto
Se deja caer una pelota de 2 kg desde 10 m de altura. ¿Con qué velocidad llega al suelo? (sin rozamiento)
Em,inicial = Em,final m · g · h = ½ · m · v² g · h = ½ · v² (la masa se simplifica) v² = 2 · g · h = 2 × 9,8 × 10 = 196 v = √196 = 14 m/s
Potencia
🔬 Fórmula clave
Potencia:
P = W / t
donde P = potencia (W, vatios), W = trabajo (J), t = tiempo (s).
1 W = 1 J/s 1 kW = 1 000 W 1 CV = 736 W
📘 Ejemplo resuelto
Una grúa eleva una carga de 500 kg a 20 m de altura en 10 s. Calcula la potencia.
W = F · d = m · g · h = 500 × 9,8 × 20 = 98 000 J P = W / t = 98 000 / 10 = 9 800 W = 9,8 kW
🤔 ¿Sabías que…?
La unidad de potencia, el vatio (W), recibe su nombre de James Watt, el ingeniero escocés que perfeccionó la máquina de vapor en el siglo XVIII. Él también introdujo el concepto de «caballo de vapor» (CV) para comparar la potencia de sus máquinas con la de los caballos.
✏️ Ejercicios
1. Define trabajo mecánico y di en qué unidad se mide.
2. ¿Realiza trabajo una persona que sostiene una maleta de 20 kg sin moverse? Justifica.
3. Calcula el trabajo realizado al empujar un mueble con 150 N durante 3 m.
4. Un cuerpo de 4 kg se mueve a 10 m/s. Calcula su energía cinética.
5. Un objeto de 3 kg está a 15 m de altura. Calcula su energía potencial gravitatoria.
6. Se deja caer un cuerpo de 5 kg desde 20 m. Calcula su velocidad al llegar al suelo usando la conservación de la energía.
7. Una fuerza de 500 N desplaza un objeto 10 m en 5 s. Calcula el trabajo y la potencia.
8. Un motor tiene una potencia de 2 kW. ¿Qué trabajo realiza en 1 minuto?
9. Un coche de 800 kg pasa de 0 a 20 m/s. ¿Qué trabajo neto se ha realizado sobre él? (Usa el teorema trabajo-energía.)
10. Una montaña rusa parte del reposo a 30 m de altura. ¿A qué velocidad llega al punto más bajo? (sin rozamiento)
📋 Resumen de la lección
Trabajo: W = F · d · cos α. Se mide en julios (J).
Energía cinética: E_c = ½ · m · v². Energía potencial: E_p = m · g · h.
Teorema trabajo-energía: W_neto = ΔE_c.
La energía mecánica se conserva si no hay rozamiento: E_c + E_p = constante.
Potencia: P = W / t. Se mide en vatios (W).
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