Title: 2.4. Propietats periòdiques: característiques dels elements. Metalls i no metalls. Terres Rares. Gasos Nobles.
Course: Física i Química 3r ESO 1r T

Propietats periòdiques

Propietats periòdiques

Els elements a la taula periòdica es distribueixen en 🅿🅴🆁🅸🅾🅳🅴🆂 (files) i  🅶🆁🆄🅿🆂  (columnes).

Els 🅿🅴🆁🅸🅾🅳🅴🆂 corresponen a les files horitzontals de la taula i es constitueixen col·locant els elements en ordre creixent de nombre atòmic. Hi ha 7 períodes.

Els 🅶🆁🆄🅿🆂  es corresponen a les columnes verticals de la taula, hi ha 18 grups i en un mateix grup tots els elements tenen l'últim electró ocupant l'orbital s1, s2, p6, d8, f14... etc indicat a la taula. Aquesta posició donarà propietats semblants als elements que pertanyin al mateix grup.

- Les propietats dels elements dependran, doncs, generalment, d'on estigui ubicat un element a la taula periòdica i, per tant, de la seva configuració electrònica i concretament del nivell energètic o orbital on s'ubica l'últim electró.
- El fet que un àtom perdi o guanyi electrons per aconseguir assemblar-se a la configuració més estable del gas noble més proper farà que un àtom i els seus ions no es comportin exactament de la mateixa manera un cop l'àtom ja ha perdut o guanyat electrons. Això permetrà la formació de compostos, per exemple: el Clor (Z=17) tendirà a guanyar un electró per tenir una configuració electrònica similar a la de l'Argó (Z=18), i el Sodi (Z=11) tendirà a perdre o cedir un electró per assemblar-se al Neó (Z=10).

Radi atòmic

El radi atòmi seria la mida que faria un àtom des del seu nucli fins a l'últim electró per tenir una idea de la mida aproximada d'aquell àtom, però en realitat els àtoms no tenen uns límits definits ja que els electrons no sempre es troben en la mateixa posició.

No obstant, es va observar que el radi atòmic dels elements estan relacionats amb la disposició dels elements a la taula periòdica.

- El radi atòmic és major com més avall es troba en un 🅶🆁🆄🅿 perquè hi ha més nivells electrònics ocupats en tenir els elements més electrons en baixar en un grup.
- El radi atòmic és més petit com més s'avança en un 🅿🅴🆁🅸🅾🅳🅴 perquè si bé hi ha més electrons entorn els àtoms neutres, també hi ha més protons perquè augmenta el nombre atòmic, i aquests atrauen més els electrons i fan que no s'allunyin tant.
- Sobre una taula periòdica tindríem, doncs, que el radi atòmic seria més gran avall i a l'esquerra.

Energia d'ionització i afinitat electrònica

L'energia d'ionització és l'energia que cal per alliberar un electró d'un àtom que estigui en en fase gasosa i estat fonamental (tots els electrons als seus orbitals més baixos d'energia).

L'afinitat electrònica és semblant, però des del punt de vista de l'àtom que capta un electró, i es correspon a l'energia que allibera aquest àtom en captar l'electró. Com que l'àtom guanya estabilitat, allibera energia (es podria dir, col·loquialment que "es queda més a gust", que "s'allibera")

La facilitat o no de cedir o captar electrons també depèn del nombre atòmic, per tant, de la configuració electrònica, per tant, de la disposició dels elements a la taula periòdica.

- L'energia d'ionització i l'afinitat electrònica són menors com més avall es troba en un 🅶🆁🆄🅿 perquè els electrons més externs no estan tan aprop del nucli i costa menys alliberar-los o retenir-los, respectivament.
- L'energia d'ionització i l'afinitat electrònica sóns més grans com més s'avança en un 🅿🅴🆁🅸🅾🅳🅴 perquè a mesura que s'avança en la taula periòdica hi ha més protons al nucli que atrauen amb més força els electrons i dificulten que es puguin alliberar o l'estabilitat que es guanya és més gran.
- Sobre una taula periòdica tindríem, doncs, que i l'energia d'ionització i l'afinitat electrònica són més grans amunt i cap a la dreta.

Electronegativitat

L'electronegativitat és la tendència que té un àtom ja enllaçat a un altre a atraure els electrons de l'enllaç entre els àtoms.

- L'electronegativitat és major com amunt es troba l'element en un 🅶🆁🆄🅿 perquè en tenir el nucli més a prop pot atraure més els electrons dels àtoms amb qui forma enllaç.
- L'electronegativitat és més gran com més s'avança en un 🅿🅴🆁🅸🅾🅳🅴 també pel mateix motiu: hi ha més protons al nucli en els elements que es troben més avançats en un període i aquests que atrauen amb més força els electrons.
- Sobre una taula periòdica l'electronegativitat és major, igual que l'energia d'ionització i l'afinitat electrònica, cap amunt i cap a la dreta.

💡 [Observació] Aquests continguts són de nivell una mica avançat, però si t'imagines les forces d'atracció/repulsió com coses que t'agraden o no t'agraden potser és més fàcil... recorda que les càrregues positives i negatives senten atracció entre elles (protons i electrons). Els electrons han d'estar contínuament girant per no "caure" en aquesta atracció, igual que li passa a la Lluna amb la Terra... els neutrons també fan de les seves perquè el nucli dels àtoms sigui estable i no un munt de càrregues que es repel·len entre elles... de vegades, imaginar-se històries entre càrregues ho fa més senzill...

Imatges/autoria: @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

Categories d'elements

Categories d'elements

Els elements a la taula periòdica es disposen, curiosament, no només pel nombre atòmic sinó també agrupats per altres propietats que els caracteritzen.

Podem trobar diferents agrupacions:

Imatge (taula periòdica)/autoria: @annacasamitjana sota sota llicència Creative Commons BY-NC-ND

- METALLS
  - Alcalins (grup del Liti)
  - Alcalinoterris (grup del Beril·li)
  - Metalls de transició (elements del grup d)
- SEMIMETALLS (o metal·loïdes): els elements que van en diagonal del Bor al Poloni
- NO-METALLS
  - "Grup" del Bor
  - "Grup" del Carboni
  - "Grup" del Nitrogen
  - Calcògens (grup de l'Oxigen)
  - Halògens (grup del Clor)
- GASOS NOBLES
- TERRES RARES
  - Lantànids
  - Actínids

💡 [Reflexió] Tens alguna pila de tipus AA a prop? en un comandament o en algun calaix...? pots mirar-la i veure de quin element principal diu que està feta? Mira una taula periòdica. Per què creus que aquestes piles s'anomenen, doncs, piles alcalines?

Drets de la imatge (pilesAA): imatge lliure de drets d’autor sota sota llicència Creative Commons - Piqsels

Metalls i no-metalls

Drets de la imatge: imatge lliure de drets d’autor sota sota llicència Creative Commons - Piqsels

Metalls i no metalls

METALLS

Les propietats dels metalls són degudes al tipus d'enllaç que uneix els àtoms d'un mateix element entre ells. En els enllaços metàl·lics els electrons més externs formen un núvol d'electrons que es poden moure fàcilment entre els diferents àtoms, això permet, per exemple, que els electrons puguin transferir molt més fàcilment que la resta d'elements, l'electricitat. Els metalls acostumen a ser...

- generalment són brillants.
- amb densitat i punt de fusió elevada (excepte alguns casos).
- són dúctils, durs i bons conductors de l'escalfor.
- són bons conductors de l'electricitat.

NO METALLS
Els no-metalls poden formar enllaços (iònics) amb metalls, o bé enllaços (covalents)  amb altres no-metalls.
- no tenen brillantor metàl·lica.
- tenen punts de fusió i d'ebullició generalment baixos.
- solen ser aïllants o semiconductors.
- són mals conductors del corrent elèctric.

SEMIMETALLS (METAL·LOÏDES)

Els semimetalls són elements que tenen aparença de metal però que es comporten com a metall o com a no-metall segons les condicions a la que es troben sotmesos.

- Són semiconductors: es comporten com a aïllants a baixes temperatures, però presenten certa conductivitat elèctrica a temperatura ambient. Els semiconductors modificats
- Forment part de molts components electrònics (sobretot el Silici)
- Si es modifiquen tenen propietats superconductores quan s'exposen a temperatures molt baixes. Això vol dir que transporten el corrent elèctric sense resistència ni pèrdues d'energia. Per a fer-ho, cal refredar-los, per exemple amb Nitrogen líquid.
- Semimetalls
  - Bor (B)
  - Silici (Si)
  - Germani (Ge)
  - Arsènic (As)
  - Antimoni (Sb)
  - Tel·luri (Te)
  - Poloni (Po)

💡 [Observació] Us sona Silicon Valley? Què s'hi fa? Silicon Valley és una zona de Califòrnia, a l'Est dels Estats units, on es concentra una gran part d'indústries relacionades amb els semiconductors. "Els dispositius fabricats a partir dels semiconductors són la base de l'electrònica moderna com la ràdio, la  televisió, els ordinadors, els telèfons i molts d'altres ginys de la nostra vida diària. Alguns dispositius semiconductors són el transistor, la  cèl·lula fotoelèctrica, molts tipus de díodes com els  LEDs, els tiristors o els  circuits integrats analògics i digitals. Els panells solars fotovoltaics són aparells formats per cel·les fotovoltaiques, basades en materials semiconductors, que converteixen directament l'energia lumínica en  energia elèctrica." (font: ttps://ca.wikipedia.org/wiki/Semiconductor)

Gasos Nobles

Imatge lliure de drets d’autor sota sota llicència Creative Commons - Piqsels

Gasos nobles

Els gasos nobles, en condicions estàndard, són incolors i inolors.

Com que tenen una configuració electrònica estable amb totes les capes d'electrons (orbitals) plenes no tenen tenèndia a perdre o guanyar electrons i per tant, no tenen gaire necessitat de reaccionar amb altres elements i formar-hi enllaços. És per això que els gasos nobles acostument a ser àtoms sols (monoatòmics) i amb molt poca reactivitat.
El punts de fusió i d'ebullició dels gasos nobles és molt similar, d'una diferència d'uns 10 graus, això vol dir que només són líquids a les temperatures compreses entre aquests valors.

💡 [Curiositats] Per què canvia la veu quan empassem Heli d'un globus? L'Heli, de fet, és molt menys dens que l'aire normal (que és una mescla de nitrogen i oxigen, com ja saps). Això fa que les cordes vocals puguin vibrar més fàcilment en un gas que és menys dens i amb la mateixa força provoquem que la vibració sigui amb major freqüència del que és habitual.  El so, a través de l'aire, es propaga a 344 m/s però a través de l'Heli ho fa a 927 m/s i com que hi ha menys resistència sona a una freqüència diferent... però ATENCIÓ. No es recomanable empassar-se un gas que, per naturalesa no ingeriríem. Tot el gas que rebem d'Heli deixem de rebre'l d'oxigen i per tant d'alliberar CO_2.

Terres Rares

Drets de la imatge: imatge lliure de drets d’autor sota sota llicència Creative Commons - Piqsels

Terres rares

Les terres rares van agafar un nom que actualment ja no els és gaire propici... d'entrada perquè molts no són terres i perquè ara ja no són rares ja que se'n coneixen múltiples aplicacions. En el primer punt del tema parlàvem d'aplicacions d'alguns elements i dèiem, però, que alguns dels dispositius dels aparells que utilitzem diàriament (telèfons mòbils, ordinadors, televisors...) estan fabricats amb elements que no es troben amb gaire abundància a la Terra o s'exploten tan sols en llocs molt localitzats. Aquests elements són de les terres rares: els lantànids i els actínids.

Actualment, per aquest i altres motius, cal que es reciclin aquests materials en la mesura del possible i se'n faci un ús mesurat. Per tal de mantenir les tecnologies de les que disposem i desenvolupar tecnologies més avançades, cal pensar en un abastiment i desenvolupament sostenible amb el medi i respectuós amb els drets humans.

Utilitats de les Terres Rares ^1,2

El Tàntal i el Niobi són utilitzats en gairebé la totalitat de dispositius electrònics: telèfons mòbils, aparells GPS, televisions de plasma, ordinadors portàtils, aparells PDA i MP3, míssils balístics o coets espacials, entre altres.

- El Niobi té utilitat en la fabricació d'acers, sobretot els inoxidables que han d'aguantar altes temperatures, com ara els dels motors a reacció. També es fa servir en la fabricació d'imants superconductors per a ressonàncies magnètiques.
- El Tàntal s'extreu, sobretot, del Coltan. El principal productor de coltan és Austràlia, zona que tindria un 10% de les reserves mundials d'aquest mineral. També Brasil amb el 5%, Tailàndia amb un altre 5%. El 80% de les reserves d'aquest mineral es troben a la República Democràtica del Congo però malgrat la seva abundància només es dedica un 1% de la producció mundial i de manera poc oficial, s'estima que hi ha una elevada sobreexplotació infantil per a l'extracció d'aquest mineral que, a més, ajuda a finançar guerrilles. A la Segona Guerra del Congo, un conflicte amb un balanç aproximat d'uns 4 milions de morts, els bàndols utilitzaven el començ il·legal de Coltan per autofinançar-se.

Molts altres elements de les terres rares són utilitzats per aplicacions múltiples

- L'Urani és un dels elements més coneguts de les Terres Rares pel seu ús en centrals nuclears per obtenir energia a partir de la fissió de nuclis d'Urani. Saps que gairebé la meitat de l'energia que consumim i que ens permet fer funcionar els nostres aparells electrònics i escalfar l'aigua dels calentadors prové de l'Energia Nuclear?^3.^ A partir de l'Urani tots els elements fins a l'Organessó (Z=118) l'últim conegut, són sintètics, si existeixen no s'han trobat a la natura.
- Guitarres elèctriques: el Samari permet convertir el so en electricitat.
- Barres de control de centrals nuclears: també hi és el Samari.
- Telèfons intel·ligents i reproductors de MP3: imants de Neodimi en altaveus, motors (vibrador) i auriculars, colors de la pantalla LCD fets amb Europi (vermell) i Terbi (verd).
- Visió nocturna o d’avions de reconeixement: Gadolini i Itri per les ulleres o Samari per imants dels avions no tripulats i míssils Tomahawk
- Diagnosi per l’imatge: Gadolini com agent de contrast en imatges de ressonància magnètica.
- Màquines verdes: Lantà per les bateries i Neodimi per imants dels motors dels cotxes híbrids, Neodimi per les turbines eòliques, Itri i Terbi per les bombetes fluorescents compactes.
- Ulleres de sol: Praseodimi, Erbi i Neodimi per enfosquir els vidres.
- Ampolles de vi: Ceri per absorbir la radiació UV.
- Petits motors: potents imants de Neodimi o Disprosi.
- Refinar el petroli per fer benzina: catalitzadors de Lantani i Ceri.
- Tomografia per emissió de positrons (tècnica de diagnòstic per la imatge): Luteci (un dels més cars i rars)
- Fibra òptica: Erbi
- Discs durs d’ordinadors: Disprosi

💡 [Curiositats] Alguns d'aquests metalls no són rars de trobar, sinó que són força abundants a l'escorça terrestre però es troben dispersos i combinats amb altres elements, per exemple, en una de les mines xines de terres rares més abundant en terres rares cal extraure 1000 kg de mineral brut del qual surten 60 kg de metalls rars. Compareu mentalment alguna cosa que coneixeu que faci aquestes masses.

+ Info 1: Viquipèdia: Coltan ; 2:Utilitats de les Terres Rares (Web "deciencia.net" ); 3: Informe Energia Nuclear (2011) Institut Estudis Catalans (pàg.5)