La tabla periódica y el enlace químico
Ya vimos en el tema anterior algo sobre la tabla periódica de los elementos, pero ahora vamos a describirla con más detalle, ya que la TP es el punto de partida de toda la química, es el instrumento que ordena todos los elementos químicos y relaciona unos con otros. Conociendo un poco la tabla periódica, va a resultar mucho más fácil recordar y relacionar las propiedades de las sustancias que aparecen en el estudio de la tecnología cerámica.
En la siguiente imagen se representa la tabla periódica. Es una imagen bastante grande, que puede ampliarse seleccionando "ver imagen" al pulsar el botón derecho del ratón sobre ella, para ver bien algunos números pequeños. Para seguir las explicaciones recomiendo abrir una nueva pestaña con la tabla ya que en la explicación se alternará continuamente entre el texto y la tabla.

En la tabla hay filas y columnas
La tabla periódica se organiza en una serie de filas y columnas: 18 columnas y 7 filas, más las series de los lantánidos y los actínidos, que se representan en dos filas bajo la tabla principal. Los elementos colocados en la misma columna tienen, en general, un comportamiento químico similar, y las propiedades químicas de los elementos varían progresivamente según nos desplazamos a lo largo de cada fila. Vemos que algunas partes de la tabla se han señalado con colores, por ejemplo, la primera columna, exceptuando el hidrógeno, contiene los elementos alcalinos.
Elementos útiles en cerámica
A continuación enumero los elementos químicos más interesantes desde el punto de vista cerámico. Conviene aprender sus símbolos pues es normal encontrarlos en botes de materias primas, fórmulas de vidriados, etc...Elementos alcalinos: Li, Na, K; son poderosos fundentes. Elementos alcalinotérreos: Mg, Ca, Sr, Ba; también son fundentes aunque no tanto como los alcalinos. El menos utilizado de los cuatro es el Sr y el más utilizado el Ca. A continuación aparecen, en rosa, los metales de transición. Se utilizan sobre todo los de la primera fila: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu y Zn; y de la segunda fila Zr y Cd. La función de todos ellos es colorante con las siguientes excepciones: Ti es opacificante, Zn es muy útil para cristalizaciones y para hacer mates los vidriados brillantes, y Zr es también opacificante. En la columna 13: B y Al, el primero es un potente fundente y el segundo un elemento que se encuentra siempre presente en la estructura de los materiales cerámicos. En la columna 14: C, Si, Sn y Pb; el carbono solo está presente en las materias primas crudas, el silicio es la base de los vidriados cerámicos, el estaño es opacificante y el plomo uno de los fundentes más efectivos. Del resto de elementos solo destacan Sb, O y Se. Dos colorantes y el omnipresente oxígeno. Hay otros elementos cuyo símbolo debe conocerse pues aparecen en la composición de materias primas aunque no tengan directamente interés cerámico: S, F y Cl.
Esos números que aparecen junto a los símbolos de los elementos...
En cada casilla, junto al símbolo del elemento, aparecen tres tipos de números: un número entero a la izquierda, sobre el símbolo del elemento, una ristra de números desde la esquina superior derecha hacia abajo, y un número decimal bajo el nombre del elemento. Por ejemplo, para el hierro, los tres números son, respectivamente: 26; 2, 8, 14, 2; 55·8457. El primer número se llama "número atómico" y nos da la cantidad de protones que hay en el núcleo atómico. Este número es exclusivo de cada átomo, por ejemplo, cualquier átomo que contenga 26 protones en el núcleo, es un átomo de hierro. La ristra de números a la derecha representa la distribución electrónica del átomo, sobre ello hay una explicación algo más detallada abajo, ahora baste observar que la suma de esos números coincide con el número atómico, lo cual es consecuencia de que en el átomo hay la misma cantidad de electrones que de protones -excepto si el átomo es un ion, ya lo veremos-. En el hierro 2+8+14+2=26. El tercer número se llama "peso atómico" o "masa atómica" y expresa lo que pesa el átomo (en ciertas unidades), lo cual, se corresponde aproximadamente con la suma de protones más neutrones...también se amplía más abajo.
La estructura del átomo
Hemos mencionado que los protones es encuentran en el núcleo atómico. Los átomos, aunque son inimaginablemente pequeños, tienen una estructura interna que se compone de un reducido núcleo, formado por protones y neutrones, y una corteza con los electrones. Casi toda la masa del átomo se encuentra en el núcleo, ya que protones y neutrones tienen la misma masa, y la masa de cada uno es unas dosmil veces mayor que la del electrón. Por otra parte, el átomo es como un enorme espacio vacío con un punto en el centro, el espacio vacío sería la corteza electrónica y el punto sería el núcleo. Es tradicional representar el átomo como un sistema solar en el que núcleo atómico sería el sol y los electrones serían los planetas, sin embargo, solo es una idealización pues la descripción más aproximada del átomo es puramente matemática y choca con el sentido común. De las tres partículas atómicas, el protón tiene carga eléctrica positiva y el electrón carga eléctrica negativa e idéntica en valor absoluto a la del protón. El neutrón, como indica su nombre, no tiene carga eléctrica. Al ser iguales las cargas de protón y electrón y también los respectivos números de cada uno en el átomo, los átomos son neutros eléctricamente, sin embargo, veremos que algunos átomos pueden tener más o menos electrones de los que le corresponden. En tal caso, el átomo no es neutro y se denomina ion. Si tiene exceso de electrones, será negativo (anión) y si tiene menos de la cuenta, positivo (catión).
Para ampliar conocimientos y ponerlos a prueba es interesante el siguiente enlace.
Los neutrones y la fuerza nuclear
En principio, extraña que todos los protones estén apelotonados en el núcleo atómico, ya que al tener cargas de igual signo se repelen y tienden a separarse, sin embargo, hay una fuerza, llamada "interacción nuclear fuerte", que mantiene ligadas las partículas constituyentes del núcleo atómico. Ya vimos que cada especie atómica tiene siempre el mismo número de protones, pero es posible que una misma clase de átomo no tenga siempre el mismo número de neutrones en el núcleo, lo cual da lugar a los diferentes "isótopos" atómicos, es decir, átomos de la misma especie pero con diferente número de neutrones y, por tanto, diferentes masa atómica. Precisamente, el tercero de los números que aparecen en cada casilla de la tabla, que indica el peso atómico del elemento, se calcula haciendo una media ponderada entre los diferentes isótopos de cada elemento. Por ejemplo, si miramos el peso atómico del carbono (12,0107), nos indica que casi todos los isótopos de carbono tienen 6 neutrones, pero la parte decimal indica también que debe haber isótopos de peso superior. Un ejemplo conocido es el carbono 14, el isótopo de carbono con 6 protones y 8 neutrones que se utiliza para datar determinados restos de gran antigüedad.
Electrones
Decíamos que la ristra de números a la derecha representa la distribución de los electrones, y esta disposición se rige por las leyes de la mecánica cuántica en función de una serie de reglas. Según esta ordenación primero se disponen dos electrones, después ocho, ocho más, luego dieciocho,...Esta distribución electrónica es la que da forma a la tabla periódica: una serie de dos elementos en la primera fila de la tabla, dos series de ocho en las dos filas siguientes, una serie de dieciocho elementos en la cuarta fila,etc. En realidad, de cada elemento químico solo son interesantes los últimos electrones, es decir, el número colocado más abajo en cada ristra. Este número es el que establece las propiedades químicas de cada elemento porque es el número de electrones que participa en las reacciones químicas, el resto, todos los demás, están muy ligados al núcleo atómico y no participan en las reacciones químicas. Por ejemplo, los elementos alcalinos tienen un solo electrón en su última capa (este modelo electrónico suele denominarse "modelo de capas" y cada número da la cantidad de electrónes en cada capa, así que el último número correspondería a la última capa), los alcalinostérreos dos, y así sucesivamante.
Voy a repetirlo porque es importante: toda la química depende solo del último número de la ristra. Ese número, normalmente, coincide con la valencia del átomo.
La regla del octeto
Si nos fijamos en la última columna de la tabla periódica, vemos que todos los elementos que la componen tienen ocho electrones en la última capa. Estos elementos son los gases nobles y son los menos reactivos de la tabla periódica. Son tan poco reactivos que el helio se descubrió primero en el Sol antes de saber de su existencia en la tierra (un elemento poco reactivo no participa en las reacciones químicas y, por tanto, no deja huella). El caso es que la baja reactividad de estos elementos dió lugar a una primera teoría sobre el enlace químico, la regla del octeto, según la cual los átomos buscan una disposición con ocho electrones un su última capa, es decir, si no tienen ocho electrones en la última capa se combinan con otros átomos mediante intercambio de electrones para alcanzar una distribución electrónica estable con ocho electrones en la última capa. Por ejemplo, el Cl tiene siete electrones en la última capa y el Na solo uno, por tanto hacen buena pareja. El Na le cede su electrón al Cl y ambos iones permanecen unidos mediante atracción electrostática. La sustancia que se forma a partir de la unión, NaCl, es la sal común.
Enlace químico
Al explicar la regla del octeto hemos mencionado el ejemplo de la sal común, que es una sustancia iónica porque el enlace se establece mediante la cesión de electrones entre los átomos con la consiguiente formación de iones. Otra posibilidad de enlace es el covalente, en este caso los electrones no se ceden sino que se comparten. Por ejemplo, la mayor parte de las moléculas que forman la atmósfera terrestre constituyen enlaces covalentes. Así, el oxígeno suele encontrarse como O2 y en este enlace cada átomo de oxígeno comparte una pareja de sus electrones con el otro para alcanzar la configuración estable de ocho electrones. Otra posibilidad es el enlace metálico, cuya complejidad no admite la sencilla explicación de la regla del octeto sino que requiere la teoría cuántica de bandas. En el caso de los metales los electrones se ceden a nube electrónica que es común a todos los átomos del metal y que da lugar a propiedades como la conductividad eléctrica. Los compuestos iónicos y los metálicos no forman moléculas individuales sino grandes bloques de partículas que se ordenan en redes cristalinas. En los compuestos covalentes puede pasar esto mismo, por ejemplo, en el diamante o también puede ocurrir que se formen sustancias a partir de enlaces moleculares como, por ejemplo, el agua.
Resumen
Como resumen de todo lo visto en esta sección voy a destacar dos cosas. En primer lugar, que los electrones más externos de cada átomo, los de su última capa, son los responsables del comportamiento químico del átomo. Como ejercicio, teniendo en cuenta la regla del octeto, inténtese escribir la fórmula de los óxidos, es decir, la combinación de un elemento con oxígeno, de los elementos químicos de interés cerámico que se enumeraron más arriba. Teniendo en cuenta que los átomos que se encuentran en una misma columna de la tabla tienen el mismo comportamiento químico, una vez que conocemos la forma del óxido de uno de ellos, sabemos que los demás de una misma columna tendrán la misma fórmula sustituyendo los correspondientes símbolos químicos.
En segundo lugar, destacar el concepto de peso atómico, es decir, lo que pesa cada átomo. Esta magnitud será importante cuando aprendamos qué es la fórmula Seger o, mejor dicho, lo que utilizaremos será el peso molecular.