La Tabla Periódica en la Naturaleza

February 7, 2013

La Tabla Periódica de los Elementos es, al menos para mi, una de las modelizaciones científicas mas bellas y elegantes de la Historia de la Ciencia. De un modo magistral se ordenan todos los elementos químicos de la Naturaleza, de tal modo que sus propiedades no son aleatorias, sino que van ordenándose igualmente siguiendo el orden marcado por su número atómico. Como buen modelo científico, la Tabla Periódica tiene valor predictivo: a partir de las prop iedades de algunos elementos, podemos predecir las propiedades de otros elementos sin necesidad de verlos, simplemente por la posición que ocupan en la tabla. Esta capacidad predictiva ha sido esencial en el descubrimiento de elementos como el germanio o el tecnecio. Además tiene capacidad explicativa : descubrimos que las propiedades químicas de los elementos se pueden explicar a partir de algo tan sencillo como su configuración electrónica, es decir, cuantos electrones contiene el átomo y cómo se ordenan.

Este post es una celebración de la Tabla Periódica y un homenaje a Dimitri Mendeleev: quien fué el creador de la primera versión de la actual Tabla Periódica de los Elementos, y a Horace Deming, un químico norteamericano a quien se debe el aspecto actual de la Tabla:

La Tabla Periódica de Deming

Si mirais con atención la tabla de Deming, deberían llamaros la atención algunas cosas. La primera es ¡¿donde colocamos al hidrógeno?!. También, que el berilio no es Be, sino Gl. En aquel entonces se llamaba glucinio, debido al sabor dulce de algunas de sus sales (aunque no las probéis…el berilio es tóxico). Y que predice la existencia del francio, el astato, el tecnecio, el renio y el prometio, elementos que aún no se conocían en tiempo de Deming. Una cosa que me gusta de esta tabla es que relaciona unos elementos que, si entendéis de minerales, vereis lógico: los silicatos con los titanatos, los fosfatos con los vanadatos, los sulfatos con los cromatos y los cloratos con los manganatos.

Pocos químicos hay que no sientan cierta fascinación, placer incluso, al ver y tocar…al sentir, los elementos que componen la tabla en su estado puro. El contacto con los sentidos crea un vínculo especial, por eso no nos basta con un libro o una tabla: queremos tocarlos. Durante la gesta que fué añadir nuevos elementos a la lista de los ya conocidos, el máximo objetivo era obtener el elemento que se estaba descubriendo en su forma pura. El que lo conseguía, pasaba a ser considerado su descubridor y ocupaba un lugar en la fama imperecedera.

Esta tarea no estaba exenta de dificultades: imaginad que el análisis de un mineral no cuadraba con ningún elemento conocido y debía comenzar la ardua tarea de aislar el nuevo elemento. A esta tarea se enfrentaron muchos químicos ántes de que se creara la Tabla Periódica, por lo que no disponían de un modelo que les ayudara a predecir las propiedades que se encontrarían. Uno de los muchos ejemplos fascinantes es el descubrimiento del uranio. Klaproth identificó el nuevo elemento en la uraninita, llamada en aquel entonces petchblenda y que se pensa ba que era un oxido de zinc y hierro. Aisló el óxido negro de uranio en 1789, pensando que era uranio elemental. Se había equivocado. Durante más de 50 años nadie se dió cuenta del error, hasta que en 1841 el químico francés Eugene Peligot, en una serie de experimentos que casi le cuestan la vida, resolvió la difícil obtención del uranio elemental. Aún no se conocía la radiactividad del uranio..pero esa es otra historia.

No todos los elementos son tan difíciles. La Naturaleza, que es el mejor químico que existe, también hace lo suyo para obtener los elementos puros, y a veces con gran eficacia. Todos sabemos que el oro y la plata se encuentran en su estado elemental en la Naturaleza…pero no es el único caso. Realmente hay muchos mas…vamos a ver los elementos puros en la Naturaleza, es decir, los elementos nativos o la Tabla Periódica Natural, en orden creciente de número atómico, saltándonos los gases nobles , el hidrógeno , oxígeno y nitrógeno. Estos ocupan un lugar tan importante que se merecen su propio lugar. Y espero sorprender un poco a los que más creen saber sobre minerales.

Carbono

Uno de los elementos nativos mas conocidos. A todos nos suenan el diamante y el grafito, dos formas alotrópicas del carbono. Pero realmente el carbono se presenta de modo natural en mas formas, según se ordenan los átomos de carbono, es decir, según sus estructuras cristalinas; este es el fenómeno de la alotropía:

Diamante: la forma cúbica del carbono y la sustancia natural mas dura. Cosa que la gente suele confundir con tenaz…dura significa que resiste al rayado y que puede rayar a sustancias con menor dureza. Sin embargo es frágil… En la Tierra se forma en el manto y ha ascendido a la superficie a traves de chimeneas de kimberlita y otras rocas que se formaron en el manto. Pero también se encuentra en algunos meteoritos e incluso es posible que se hayan descubierto planetas extrasolares formados casi íntegramente por carbono , c on superficies llenas de diamante…

Grafito: la forma hexagonal del carbono. Justo al contrario que el diamante, es muy blando y su estructura laminar, micácea, lo convierte en un gran lubricante. Es muy abundante en la Tierra. La mayoría de los carbones contienen gran porporción de formas impuras de grafito. A partir del grafito se ha encontrado el Grafeno, un material con propiedades muy interesantes.

Fullerita: un fullereno natural, en concreto el C60 (60 átomos de carbono formando una especie de pelota). Es rarísimo, solo se ha localizado en un yacimiento en China.

Lonsdaelita: una forma hexagonal del diamante.

Chaoita: una forma de carbono que se produce por metamorfismo intenso del grafito, debido a los impactos de meteoritos en rocas que lo contienen.

Carbono nativo (diamante) procedente de Ghana

También podríamos considerar el carbono amorfo, una forma especial de carbono que se encuentra en partículas de polvo interplanetario, cometas y meteoritos. Como veis, la Naturaleza nos proporciona muchas muestras de carbono elemental para nuestra Tabla Periódica.

Aluminio

Este no os lo esperábais ¿eh?. Pues si, la Naturaleza también ha conseguido aislar aluminio metálico. Se ha encontrado en forma de pequeñas partículas metálicas a partir de magmas basálticos formados en entornos ricos en reductores como hidrógeno y metano. Una especie de metalurgia natural.

Silicio

Seguro que muchos tampoco lo esperábais. Se ha encontrado en forma de cristales cubooctaédricos incluidos en cristales de oro nativo en Nuevo Potosí (Cuba) y en la Península de Kola (Rusia), asociado a grafito, hierro nativo y en kimberlitas con diamante.

Azufre

Uno de los más conocidos, el azufre elemental es abundantísimo en nuestro planeta. Se encuentra asociado a actividad volcánica y también a actividad biológica: muchas bacterias generan azufre element al durante la oxidación de sulfuros metálicos y por reducción de sulfatos.

Cristales de azufre sobre covellita. Corta Atalaya (Faja Pirítica Ibérica, Huelva, España). Este tipo de azufre suele ser de origen biogénico, a partir de la oxidación bacteriana de sulfuros como la calcopirita. Así, calcopirita–> covellita y azufre.

Titanio

En forma de metal se ha encontrado en algunos granitos, en forma de inclusiones metálicas en granates asociados a un metamorfismo a presión ultra-alta en Dabieshan (China) y en las fumarolas de la erupción del volcán Tolbachik (Rusia) de 1975.

Cromo

En forma de pepitas metálicas fué visto por primera vez en una mina de cromo en Nagchu, Tíbet. Pero es mas frecuente de lo que parecía, dadas sus propiedades químicas. En las rocas lunares estudiadas tras las misiones Apolo se ha encontrado cromo metálico también.

Hierro

Uno de los elementos nativos mas abundantes de nuestro planeta: todo el núcleo de la Tierra está formado por él. No aguanta bien la oxidación…asi que es raro en la corteza terrestre, en un ambiente con agua y oxígeno. Tampoco aguanta bien la actividad biológica: muchas bacterias lo oxidan para obtener energía. Pero seguramente fue muy abundante antes del origen de la vida y el hierro metálico pudo jugar un papel importante en el proceso. Actualmente, el hierro metalico se puede encontrar en meteoritos y, raramente, en algunos yacimientos minerales.

Niquel

Junto con el hierro metálico, se encuentra en meteoritos. De hecho una forma de reconocer el hierro meteorítico es realizar una prueba de níquel. En nuestro p laneta es uno de los elementos mas abundantes, al compartir el núcleo de la Tierra con el hierro…pero también se forma en algunos procesos de serpentinización, en los que se forma una aleación natural de hierro y niquel llamada awaruita

Niquel (en forma de ferroniquel) en un meteorito tipo condrita: son las manchas mas oscuras. Se puede ver la aureola de oxidación, algo parduzca, y los cóndrulos, típicos de las condritas. También se aprecia un sulfuro metálico amarillento: es la troilita, un politipo de la pirrotita frecuente en meteoritos.

Cobre

Que decir del cobre… su posición en la serie electromotriz le confiere una gran resistencia a la oxidación en medio acuoso y es abundantísimo, ya que en numerosos procesos geológicos puede reducirse a partir de formas oxidadas con gran facilidad. Otra metalurgia natural… En las famosas minas de cobre de Michigan se han extraído masas de cobre metálico de cientos de toneladas. Es uno de mis minerales - elementos favoritos…

Zinc

Uno de los misterios de la Naturaleza: El zinc es un metal bastante reductor, ocupa una posición alta en la serie electromotriz, por encima del agua, con lo que la reacción de oxidación en medio acuoso es muy fácil. El agua levemente acidificada lo ataca y disuelve. Sin embargo, es muy frecuente formando incluso ¡pepitas en algunos rios!. Un posible origen del zinc metálico puede que sea la autooxidación-reducción de la esfalerita (sulfuro de zinc) en ciertas condiciones. Pero no puedo aportar mucho mas sobre el tema.

Arsenico

Otro viejo conocido, el arsénico elemental es frecuente en la Naturaleza. Se forma en numerosos depósitos hidrotermales asociado a otros metales como antimonio o plata, que son sus mejores amigos “geoquímicos”. También se encuentra como producto de neoformación en restos mineros ricos en mineral arsenical. Como curiosidad, el arsénico elemental es poco tóxico…sin embargo, su óxido o sus sulfuros son muy venenosos…y siempre suelen acompañarlo.

A la plata y el arsénico les suele gustar ir juntos. En la imagen, veis plata nativa sobre arsénico elemental del distrito minero de Pohla (Sajonia, Alemania)

Arsénico de la mina Akatani (Fukui, Japón). La mancha blanca es el muy tóxico óxido de arsénico o arsenolita.