Classificació dels Elements i Estructura de la Matèria

Introducció

Des de l'antiguitat es coneixien elements com l'or, la plata, etc. Amb el temps, es van descobrir més, fins a arribar a l'actualitat, on es coneixen més de 100. Una primera classificació dels elements, fixant-nos en l'aspecte i les propietats físiques, permet fer dos grups: els metalls i els no metalls.

Metalls i No Metalls

Per a distingir un dels altres, anomenarem unes característiques que els fan diferents:

Elements metàl·lics:

• Tenen una brillantor característica.
• Són opacs i bons conductors de la calor i el corrent elèctric.
• Solen ser sòlids a temperatura ambient i solen tenir punts de fusió elevats.

Elements no metàl·lics:

• No tenen brillantor metàl·lica.
• Són mals conductors de l'electricitat i de la calor.
• A temperatura ambient poden ser sòlids, líquids o gasos, sent els sòlids prou fràgils.
• Els sòlids solen tenir punts de fusió baixos i els líquids punts d'ebullició també baixos.

La Taula Periòdica Actual

Els elements es classifiquen en una taula o sistema periòdic, ordenats segons els valors dels seus nombres atòmics, és a dir, la posició que ocupen depèn del nombre de protons. D'acord amb la taula periòdica actual, els elements es distribueixen en columnes o grups (files verticals, n'hi ha 18) que són grups d'elements amb el mateix nombre d'electrons en l'última òrbita i també amb propietats similars. D'altra banda, els elements que tenen un mateix nombre de capes o òrbites en la seva configuració electrònica, es situen en una mateixa fila horitzontal o període (n'hi ha 7).

Regularitats en les propietats dels elements de la taula periòdica:

A) Caràcter metàl·lic:

El caràcter metàl·lic dels elements en la taula periòdica augmenta amb el nombre de protons. Si agafem un grup, el caràcter metàl·lic augmenta de dalt a baix, és a dir, augmenta amb el nombre d'òrbites.

B) Altres característiques:

1. El nombre de protons i d'electrons augmenta en la taula d'esquerra a dreta.
2. El nombre d'òrbites augmenta de dalt a baix.
3. Alguns elements, com es pot veure a la taula periòdica, tenen característiques intermèdies entre els dos grups i s'anomenen semimetalls o metaloides.

Agrupació dels Àtoms en la Matèria

Els àtoms que formen els diferents tipus de matèria poden aparèixer aïllats o units formant molècules o cristalls.

Àtoms aïllats:

En general, els àtoms s'ajunten per a formar les substàncies que coneixem, encara que hi ha elements en què els seus àtoms es presenten aïllats en la natura. Això és degut a que les seves configuracions electròniques són les més estables. Els elements del grup 18 (Heli, Neó, Argó, etc.) comproven que tots tenen l'última òrbita plena.

Aquest grup d'elements tenen una estructura molt estable i el tenir l'última òrbita plena fa que estiguin en la natura aïllats i a temperatura ambient són gasosos. El fet de que siguin tan estables fa que no tinguin tendència a ajuntar-se amb altres elements, ni amb si mateixos, anomenant-se aquest grup: gasos nobles o inerts.

Els altres elements, per contra, tracten de trobar l'estabilitat al juntar-se amb altres elements per a tenir l'última òrbita plena, la qual cosa dóna lloc als diferents cristalls i molècules.

Molècules:

Tots els elements busquen l'estabilitat omplint la seva última òrbita, per tant els elements que no la tenen s'ajunten amb altres per a compartir electrons i així omplir-la i estabilitzar-se formant una molècula. Ex: H₂ = Z = 1, és la forma més comuna i estable de l'hidrogen en la natura, on s'uneixen dos àtoms per a estabilitzar-se. Compartint un electró, els dos àtoms ja tenen l'última òrbita plena i són més estables, per això, l'hidrogen apareix en la natura com H₂. Compartint dos electrons, el clor s'estabilitza i ja té l'última òrbita plena amb 8 electrons, per això apareix en la natura com Cl₂.

En aquesta unió d'àtoms que comparteixen electrons per a estabilitzar-se, es diu que els àtoms estan units per un enllaç covalent, que és el que manté els àtoms junts.

Característiques de les molècules:

1. Poden estar constituïdes per àtoms iguals o diferents. En el primer cas es tracta de substàncies simples i en el segon de compostes.
2. Normalment les molècules estan aïllades o unides per forces molt dèbils, per la qual cosa a temperatura ambient solen ser gasoses, sent les sòlides prou fràgils.

Cristalls:

Els cristalls són substàncies sòlides en la seva majoria. Exemples de cristalls són la sal, el sucre o el gel. Tenim tres tipus de cristalls: els covalents, els iònics i els metàl·lics.

A) Cristalls covalents:

Aquest grup d'elements són similars a les molècules ja que comparteixen electrons els diferents àtoms, per això són covalents. A diferència de les molècules, els cristalls covalents són substàncies sòlides, on els àtoms s'uneixen compartint electrons i formant xarxes tridimensionals molt resistents en totes les direccions. Els sòlids així constituïts són molt durs i les xarxes que el formen són molt grans. Això és degut a que els electrons són compartits per molts àtoms. Ex: xarxa tridimensional del diamant.

B) Cristalls metàl·lics:

La major part dels elements metàl·lics tenen àtoms que contenen 1, 2 o 3 electrons en la capa més externa, per tant estan poc units al nucli, són poc estables. Els metalls són prou durs ja que els àtoms estan ordenats d'una forma molt compacta i com que els electrons tenen prou mobilitat, els metalls són bons conductors de l'electricitat.

C) Cristalls iònics:

Els àtoms d'aquests cristalls arriben a l'estabilitat mitjançant la pèrdua o guany d'electrons que donen lloc a l'última òrbita plena.

Aquests àtoms amb càrregues negatives o positives s'anomenen ions. Si tenen càrrega positiva s'anomenen cations, com per exemple el catió sodi (Na⁺). Si tenen càrrega negativa s'anomenen anions (Cl^-). El resultat de que tinguin una càrrega positiva i altra negativa és que, per atracció entre les dues càrregues oposades, els dos ions tendiran a ajuntar-se i també formaran xarxes basades en aquest tipus d'atracció.

Massa Molecular. Composició Centesimal

La massa molecular d'una substància química o molecular és igual a la suma de les masses atòmiques relatives dels àtoms que apareixen en la seva fórmula.

Càlcul de la massa molecular:

Per a saber la massa molecular d'un element hem de fixar-nos en el nombre màssic (protons + neutrons) de l'element. Si és una molècula o un compost, simplement sumarem els nombres màssics dels elements que la componen. Exemple: el clor vam veure que apareix en la natura com Cl₂ per a estabilitzar-se. Quina serà la seva massa molecular? Cl₂ Cl = Nombre màssic = 35,5 x 2 = 71 / massa molecular NaCl Na = 23 + Cl = 35,5 = 58,5

Composició centesimal:

La composició centesimal d'un compost es calcula per a saber el tant per cent de la massa total que li correspon a cada element del compost, és a dir, consisteix en dividir la massa d'un element per la massa del compost. Després multiplicarem per 100 per a saber el percentatge. Per a calcular la composició centesimal veurem l'exemple del NaCl.

% = (massa element / massa compost) x 100

Quantitat de Substància: El Mol

Com que els àtoms i molècules són molt petits per a comparar quantitats d'àtoms i molècules utilitzarem una magnitud específica, anomenada quantitat de substància (n), sent la seva unitat el mol. Segons s'ha determinat, un mol d'àtoms de qualsevol substància conté: 6,022 · 10²³ àtoms d'eixa substància. El mol també és aplicable a altres tipus de partícules com les molècules, els ions, etc. És a dir, sempre que diguem que tenim un mol de qualsevol substància significa que tindrem 6,022 · 10²³ elements d'eixa substància. Ex: un mol d'àtoms de Fe = 6,022 · 10²³ àtoms de Fe / 1 mol de molècules de NaCl = 6,022 · 10²³ molècules de NaCl / 2 mols d'àtoms de Li = 2 · 6,022 · 10²³ àtoms de Li.

Cal tenir en compte que tots els mols són iguals en nombre de partícules, però no tots tenen la mateixa massa ja que no pesa el mateix un mol d'àtoms de clor que un mol d'àtoms de plata, perquè els àtoms són diferents.

Equivalència amb la massa:

Per a passar mols a grams i grams a mols, utilitzarem una fórmula:

quantitat de substància = massa en grams / massa molecular = n (mol) = massa (g) / M (g/mol)