Guías · 05
El bloque p: metaloides, halógenos y gases nobles
Un recorrido por los grupos 13 a 18: de los metales a los no metales, los metaloides de los semiconductores, los reactivos halógenos y los gases nobles que acabaron formando compuestos de xenón.
Las seis columnas de la derecha de la tabla periódica, los grupos 13 a 18, forman el bloque p, donde el último electrón entra en un orbital p. Los bloques s y d solo contienen metales, pero el bloque p contiene metales, metaloides y no metales, unos junto a otros. Aquí viven el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, que forman los seres vivos, el silicio de la electrónica y el argón del aire, lo que lo convierte en la parte más variada de la tabla.
La visión de conjunto
Las propiedades a lo largo del bloque p cambian en dos direcciones.
- De izquierda a derecha: los átomos tienden cada vez más a ganar electrones en lugar de perderlos, así que el carácter metálico disminuye y el no metálico aumenta.
- De arriba abajo: los átomos se hacen más grandes y pierden con más facilidad sus electrones externos, así que el carácter metálico aumenta.
Por eso la parte inferior izquierda del bloque p (aluminio, estaño, plomo, bismuto) es metálica, la superior derecha (nitrógeno, oxígeno, flúor) es no metálica, y entre ambas discurre una franja diagonal de metaloides que va del boro hacia el ástato.
El número de electrones de la capa externa se deduce del número de grupo: tres en el grupo 13 (s²p¹), cuatro en el grupo 14, cinco en el 15, seis en el 16, siete en el 17 y ocho en el 18 (el helio tiene dos).
Grupo 13: el grupo del boro
El boro es un metaloide; el aluminio, el galio, el indio y el talio son metales. El aluminio es el metal más abundante de la corteza terrestre. Es ligero, y una fina y compacta película de óxido lo protege de la corrosión. El galio funde a unos 30 °C, temperatura lo bastante baja como para fundirse en la mano, y el nitruro de galio es el material clave de los LED azules. El indio se usa en el óxido de indio y estaño, el conductor transparente de las pantallas táctiles.
Al bajar por el grupo 13, el estado de oxidación +1 se vuelve más estable frente al +3, y el talio forma habitualmente compuestos +1. Esto ocurre porque en los átomos pesados el par de electrones s más externo se resiste a participar en los enlaces, un efecto conocido como efecto del par inerte.
Grupo 14: el grupo del carbono
El carbono es un no metal, el silicio y el germanio son metaloides, y el estaño y el plomo son metales. Es uno de los ejemplos más claros de un solo grupo que abarca toda la gama, del no metal al metal.
El carbono puede unirse consigo mismo en largas cadenas y anillos, formando el esqueleto de millones de compuestos orgánicos. Según cómo se enlacen los átomos, el carbono puro puede ser diamante, grafito, grafeno o fullerenos, alótropos con propiedades llamativamente distintas. El silicio es el segundo elemento más abundante de la corteza después del oxígeno, y se encuentra sobre todo como dióxido de silicio en la arena y las rocas. Los cristales de silicio ultrapuro son la base de los chips informáticos y de las células solares. El plomo, por el efecto del par inerte, es más estable en el estado +2.
Grupo 15: el grupo del nitrógeno
El nitrógeno constituye alrededor del 78 % del aire en volumen, pero los dos átomos de una molécula de N₂ están unidos por un triple enlace tan fuerte que el gas es bastante poco reactivo. El fósforo tiene varios alótropos, entre ellos el fósforo blanco, el rojo y el negro; el fósforo blanco es tan reactivo que se inflama espontáneamente al aire. El nitrógeno y el fósforo son esenciales para el ADN y el ATP y son los principales nutrientes de los fertilizantes. El arsénico y el antimonio son metaloides, y el bismuto es un metal. El arsénico es famoso como veneno, pero también aparece en materiales electrónicos como el arseniuro de galio.
Grupo 16: el grupo del oxígeno (calcógenos)
El oxígeno es el elemento más abundante en masa tanto en la corteza terrestre como en el cuerpo humano. Además del O₂ forma ozono, O₃, que absorbe la luz ultravioleta en la estratosfera. El azufre es un sólido amarillo que se encuentra en torno a los volcanes y es la materia prima del ácido sulfúrico. El selenio y el telurio muestran un comportamiento semimetálico, y el polonio es un metal radiactivo. El nombre del grupo, calcógenos, procede de palabras griegas que significan «formadores de menas»; en español también se les llama anfígenos.
Grupo 17: los halógenos
El flúor, el cloro, el bromo, el yodo, el ástato y el teneso forman el grupo 17. «Halógeno» significa «formador de sales», porque estos elementos se combinan con facilidad con los metales para formar sales como el cloruro de sodio.
Un átomo de halógeno tiene siete electrones externos y solo necesita uno más para alcanzar la disposición estable de un gas noble, así que atrae los electrones con fuerza. El aspecto de los elementos cambia de forma gradual al bajar por el grupo.
| Elemento | Estado a temperatura ambiente | Color |
|---|---|---|
| Flúor (F₂) | gas | amarillo pálido |
| Cloro (Cl₂) | gas | amarillo verdoso |
| Bromo (Br₂) | líquido | pardo rojizo |
| Yodo (I₂) | sólido | negro violáceo oscuro (vapor violeta) |
Las moléculas se hacen más grandes al bajar por el grupo, así que aumentan las fuerzas entre ellas y suben los puntos de fusión y de ebullición.
La reactividad aumenta hacia arriba. El flúor tiene la electronegatividad más alta de todos los elementos y reacciona violentamente incluso con el vidrio y el agua. Las reacciones de desplazamiento muestran el orden con claridad. Al burbujear cloro a través de una disolución de bromuro de potasio se libera bromo, y la disolución se vuelve naranja:
Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂
El bromo no puede desplazar al cloruro en sentido contrario. La secuencia F > Cl > Br > I refleja con qué fuerza atrae cada elemento un electrón adicional.
Los halógenos nos rodean: el cloro desinfecta el agua del grifo y las piscinas, el fluoruro de la pasta de dientes ayuda a prevenir la caries, y el yodo se usa como antiséptico y es necesario para las hormonas tiroideas. Sin embargo, los propios gases y líquidos elementales son tóxicos y corrosivos.
Grupo 18: los gases nobles
El helio, el neón, el argón, el kriptón, el xenón, el radón y el oganesón forman el grupo 18. Sus capas externas están llenas, y durante mucho tiempo se creyó que no formaban ningún compuesto; a menudo se les llamaba «gases inertes».
Esa creencia terminó en 1962. Neil Bartlett, un químico británico que trabajaba en Canadá, había descubierto que el hexafluoruro de platino (PtF₆) es un oxidante tan fuerte que puede arrancar un electrón a una molécula de oxígeno. Al darse cuenta de que la primera energía de ionización del xenón es casi igual a la del O₂, hizo reaccionar xenón con PtF₆ y obtuvo un sólido amarillo anaranjado, el primer compuesto de un gas noble. Ese mismo año otro equipo obtuvo tetrafluoruro de xenón (XeF₄) directamente a partir de xenón y flúor. Siguieron muchos más compuestos de xenón, como el XeF₂, el XeF₆ y el óxido XeO₃, y más tarde se demostró que el kriptón forma compuestos como el KrF₂.
Los gases nobles más pesados tienen átomos más grandes cuyos electrones externos están más lejos del núcleo, así que sus energías de ionización son menores y la formación de compuestos se vuelve posible. No se conocen compuestos neutros estables del helio ni del neón. Desde estos descubrimientos, el grupo se describe como «noble» (muy poco reactivo) en lugar de «inerte» (completamente sin reactividad).
Todos sus usos aprovechan esa baja reactividad:
- Helio: globos y dirigibles, y la refrigeración de los imanes superconductores de los escáneres de resonancia magnética.
- Neón: el resplandor rojo anaranjado de los letreros de neón.
- Argón: gas de protección para la soldadura y gas de relleno de las bombillas incandescentes. Con alrededor del 0,93 % del aire, es el gas noble más común.
- Kriptón y xenón: lámparas de alta intensidad, algunos faros de coche y propelente de los motores iónicos de las naves espaciales.
- Radón: un gas radiactivo que se filtra desde el suelo y las rocas y puede acumularse en los sótanos, aumentando el riesgo de cáncer de pulmón.
Los metaloides, de nuevo
Los metaloides del bloque p, boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio y telurio, mezclan rasgos metálicos y no metálicos. Lo más importante es que su conductividad eléctrica depende mucho de la temperatura y de cantidades minúsculas de impurezas. Añadir un poco de fósforo al silicio da un semiconductor de tipo n, con electrones de sobra; añadir boro da un semiconductor de tipo p, con falta de electrones. Esta técnica, dopar un elemento del grupo 14 con átomos del grupo 13 o del 15, está en la base de todos los aparatos electrónicos modernos. Los números de grupo de la tabla periódica se corresponden directamente con las reglas de diseño de la ingeniería de semiconductores.