La contracción de lantanidos

Las tendencias en los radios atómicos de los elementos principales del grupo son muy regulares.  Disminución radios atómicos a través de un período y aumentar hacia abajo un grupo.  Podemos explicar estas tendencias, teniendo en cuenta los dos factores principales que afectan el tamaño: la carga nuclear efectiva y el número cuántico principal de los orbitales en poder de los electrones más externos.

 La disminución de tamaño a través de una fila en el bloque [d] no es tan pronunciado como con los elementos del grupo principal.  Un aumento en la radio se produce entre los metales de transición de cuarto y quinto del período, como se esperaba desde el aumento en el número cuántico principal de los electrones más externos.  En contraste, existe una similitud inesperada entre los radios de los elementos de transición de quinto y sexto período.

 La ubicación de la serie de los lantánidos de elementos (de cerio, de número atómico 58, a lutecio, de número atómico 71), entre el lantano elementos y hafnio en el período sexta, explica este fenómeno.  Los electrones en la subcapa 4f completamente lleno en hafnio y los otros elementos de los metales de transición sexta fila no completamente blindar los electrones de valencia del aumento de la carga nuclear, causando así una mayor carga nuclear efectiva para los electrones más externos.  Una consecuencia de este aumento en la carga nuclear efectiva es una reducción en los radios atómicos, llamada la contracción de los lantánidos.  Esta contracción de casi cancela el aumento previsto de tamaño entre el quinto y el sexto período-los elementos de metales de transición.

 Una importante consecuencia de la contracción de los lantánidos es que muchos de los elementos de transición de quinto y sexto período muestran notables similitudes en sus propiedades físicas y químicas.  Por ejemplo, el hafnio es muy similar al circonio en el radio atómico y el comportamiento químico que se tardó más que 100 años después del descubrimiento de circonio para los químicos que dan cuenta de que el hafnio se presente como una impureza en cada muestra.  Hasta 1923, cuando el hafnio se identificó, por último, todos los publicó la masa atómica de zirconio estaba equivocado.  Todas las constantes físicas que se publicaron por circonio efectivamente aplicado a una mezcla natural de circonio y hafnio.  Incluso con técnicas superiores de hoy en día, los dos elementos son difíciles de separar el uno del otro.

 La contracción de los lantánidos tiene otras consecuencias.  Una propiedad física que influye directamente es la densidad de los elementos sexto período.  Estos elementos tienen densidades inusualmente altas porque sus radios metálicos son virtualmente los mismos que los de los elementos del quinto período en el mismo grupo, mientras que sus masas atómicas son casi el doble de grande.  El osmio y el iridio de su vecino tienen las densidades más altas de todos los elementos de origen natural.  La contracción de los lantánidos también influye en la reactividad química de los elementos sexto período.  Debido a la alta carga nuclear efectiva experimentada por sus electrones de valencia, sexto período de elementos tales como platino, oro, mercurio y son relativamente inertes.  Como resultado de esta inactividad química, platino y oro se encuentran entre los pocos elementos metálicos que se producen en la naturaleza en el estado no combinado.

El Ångström (Å)

El Ångström (Å) es una unidad de longitud, se representa por la letra sueca Å, y su nombre proviene del nombre del físico sueco Anders Jonas Ångström.

El Ångström no es una unidad del sistema internacional de medidas. Sin embargo está considerada como una de las unidades útiles para responder a necesidades específicas de ciertos campos científicos o técnicos. La publicación El Sistema Internacional de Unidades SI de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, editado por el Centro Español de Metrología, disponible electrónicamente, la incluye en la Tabla 8 (Otras unidades no pertenecientes al SI), y dice:

El Ångström se utiliza ampliamente en la cristalografía de rayos x y en química estructural porque todos los enlaces químicos se encuentran en el rango de 1 a 3 Ångströms. Sobre su uso se advierte que ciertas unidades no pertenecientes al SI aparecen en publicaciones científicas, técnicas y comerciales y que continuarán en uso durante muchos años, los científicos deben tener la libertad de utilizar a veces dichas unidades si lo consideraran conveniente, si bien la inclusión de tales unidades en sus textos no implica la recomendación de su uso.

Ångström
Símbolo	Å
Magnitud	Longitud
Equivalencia SI	10-10 metros
Dimensión	L

BIOGRAFIA DE Anders Jonas Ångström

Anders Jonas Ångström (13 de agosto, 1814 – 21 de junio, 1874) físico sueco, nació en Lödgö, Suecia, el 13 de agosto de 1814. Estudió en la Universidad de Uppsala, donde en 1839 se convirtió en profesor de física. En 1842 se trasladó al Observatorio de Estocolmo para ganar experiencia práctica en astronomía y al año siguiente fue designado guarda del Observatorio Astronómico de Uppsala.

Comienza a interesarse en magnetismo y realiza muchas observaciones de la intensidad y declinación de magnetismo terrestre en varios lugares de Suecia. Fue encargado por la Real Academia de las Ciencias de Suecia a analizar los datos sobre el campo magnético obtenidos por la fragata sueca "Eugénie" en su viaje alrededor del mundo entre 1851 y 1853, aunque no llegaría a terminar dicho trabajo antes de su muerte.

En 1858 sucede a Adolph Ferdinand Svanberg como director de física en Uppsala. Su trabajo más importante está relacionado con la conducción de calor y con la espectroscopía. En su investigación sobre óptica, Optiska Undersökningar, presentada a la Real Academia de las Ciencias de Suecia en 1853, apunta no sólo que una chispa eléctrica produce dos espectros superpuestos, uno del electrodo metálico y otro del gas por el que pasa, sino que deduce de la teoría de la resonancia de Leonhard Euler que un gas incandescente emite rayos luminosos con la misma longitud de onda que los que puede absorber. Esta afirmación, como comentó Edward Sabine en la entrega de la Medalla Rumford de la Real Sociedad en 1872, contiene el principio fundamental del análisis del espectro luminoso, y aunque durante algunos años pasaron por alto, lo eleva al rango de fundador de la espectroscopía.

Desarrolló un método para medir la conductividad térmica demostrando que era proporcional a la conductividad eléctrica.

A partir de 1861 puso especial atención al espectro solar. Su combinación del espectroscopio con la fotografía para estudiar el Sistema Solar dio como resultado descubrir que la atmósfera del Sol contiene hidrógeno,1 entre otros elementos (1862), y en 1868 publica su gran mapa del espectro normal del Sol en Recherches sur le spectre solaire, incluyendo medidas detalladas de más de 1000 líneas espectrales, que durante mucho tiempo permaneció como una referencia en cuestión de longitud de onda, aunque sus medidas fueran inexactas en una parte en 7000 u 8000 debido al metro que usó como estándar era demasiado corto.

Ångström fue el primero, en 1867, en examinar el espectro de las auroras boreales, y detectó y midió la línea brillante características en la región del amarillo-verde, aunque se equivocó en suponer que esa misma línea, a veces conocida con su nombre, se vería también en la luz zodiacal.

Estudió la conductividad térmica de los cuerpos y la correlacionó con su conductividad eléctrica.

Murió en Uppsala el 21 de junio de 1874.

Anders Jonas Ångström

BIOGRAFIA DE Robert Boyle

Robert Boyle fue un físico y químico británico, nacido en Lismore Castle, Irlanda el 25 de enero de 1627. Muerto en Londres el 30 de diciembre de 1691.

Robert Boyle, nacido de familia aristocrática (siendo él. decimocuarto hijo del conde de Cork) fue un niño prodigio. A los ocho años fue a Eton, viajó por Europa (con un tutor) a la edad de once años, y a los catorce estaba en Italia estudiando las obras de Galileo, que acababa de morir.

De vuelta en casa en 1645, Boyle no intervino en la guerra civil inglesa, aunque tomó parte en las reuniones que los sabios de la época hacían para discutir acerca de la experimentación, puesta de moda por Francis-Bacon y en cierto modo dramatizada por Galileo. Se llamó el Invisible College, pero en 1663 después de que el rey Carlos II subiera al trono, esta asociación de eruditos fue reconocida oficialmente, creándose sus estatutos y dándose a conocer como la Royal Society. Su lema era el de "Nullius in Verba" ("Nada por mera autoridad").

En 1657, Boyle, conocedor de las experiencias de Guericke, intentó a su vez construir una bomba de vacío. Logró un gran éxito en su intento, no sin la ayuda de su brillante asistente Robert Hooke. La bomba mejoró la de Guericke y durante algún tiempo el vacío producido por una bomba de aire se llamó vacío de Boyle.

Boyle demostró la hipótesis de Galileo; cuando en un cilindro en el que hizo el vacío dejó caer dos objetos de distinto peso y comprobó que llegaban al fondo con la misma velocidad todos los objetos en el vacío. De esta manera, una pluma y un trozo de plomo tocaban el fondo a la vez, una vez que no tenían resistencia por parte del aire.

Esto le llevó a hacer experiencias con el aire y a descubrir en 1662 que el aire no solo era comprimible, sino que además la compresibilidad del aire era inversamente proporcional a la presión que se ejerciera. Si encerramos una cantidad de gas en un tubo en forma de J y añadimos mercurio por una punta hasta doblar el valor de la presión (permaneciendo obturada la otra), se comprueba que su volumen se reduce a la mitad. Si se triplica el valor de dicha presión al añadir más mercurio, el volumen se reduce a la tercera parte. Por otro lado, si anulamos la presión, el volumen se expande. Esta relación inversa aun se conoce como la ley de Boyle en Gran Bretaña y América; en Francia se le acredita a Mariotte. Como la compresibilidad y expansibilidad del aire recordaba en cierto sentido a los muelles de metal carbonado que por entonces investigaba Hooke, Boyle se referia a ello como "muelle del aire".

La conclusión más importante que de esto sacó fue que al ser el aire compresible, debía estar compuesto de pequeñas partículas inmersas en un vacío. La compresión solo consistía entonces en tratar de juntar más dichas partículas. Herón ya sospechó algo de esto unos quince siglos antes, pero mientras éste estaba a la cabeza de un grupo de filósofos teóricos que despreciaban la experimentación, Boyle era parte de una escuela de experimentación en avance. Boyle estuvo bajo la influencia de los tratados de Gassendi; el atomismo empezaba a tomar un ímpetu cada vez mayor desde aquel momento. Después de 2000 años la doctrina de Demócrito aun prevalecía.

Boyle tuvo bastante de alquimista, creyendo en la transmutación del oro e insistiendo en convencer al Gobierno británico en 1689 para que aboliera la ley que castigaba la fabricación de oro, no por la inutilidad de la ley en si (que de hecho lo era), sino porque creía que el Gobierno debía aprovecharse del oro que se fabricara y a la vez animar a los científicos a su fabricación.

A pesar de todo, Boyle transformó la alquimia en química en 1661 con la publicación de su libro, El químico escéptico. En él, la teoría griega que consideraba los elementos como sustancias místicas de naturaleza originable a expensas de algunos principios primarios fue abandonada por Boyle. En contra de esto sugirió que un elemento era una sustancia material e identificable por métodos analíticos. Así, un elemento era cualquier sustancia que no se pudiera descomponer en otras dos más simples. Además dos elementos podían unirse para formar un compuesto del que luego podían aislarse si se quería, cada uno de los dos elementos. Esto no quiere decir que olvidara los antiguos elementos, sino que los quería conocer experimentalmente en vez de intuitivamente. Con este libro, Boyle separó definitivamente la química y la medicina como ciencias independientes.

Boyle estuvo a punto de ser el primer descubridor de un nuevo elemento (en el sentido moderno de la teoría de Boyle); cuando en 1680 aisló fósforo a partir de la orina, sin embargo, Brand se le adelantó por cuestión de unos cinco o diez años en su descubrimiento. Hubo gran controversia respecto a quién había descubierto el fósforo (sin incluir a Boyle) por primera vez, y esto se debía al secreto en que mantenían sus descubrimientos los investigadores. Boyle sostuvo con firmeza la idea de que todo trabajo experimental debía ser publicado con claridad y rapidez para que otros pudieran repetirlo, confirmarlo y aprender con ello. Esto ha sido una regla de la investigación científica que se aceptó desde entonces, aunque cuando andaban por medio intereses industriales o militares perjudicaba inevitablemente al desarrollo de la ciencia.

Por el sentido en que aplicaba Boyle la filosofía del experimentalismo al estudio de sustancias materiales y los cambios que pudieran experimentar, se le puede considerar como el padre de la química. Sin embargo, la transformación no fue completa, y fue Lavoisier quien un siglo más tarde la habría de completar, siendo este el que en realidad merece el honor de la paternidad.

EI interés de Boyle en materia religiosa creció con la edad. Escribio ensayos de religión y financió una expedición de misioneros a Oriente. En 1680 fue elegido presidente de la Royal Society, aunque renunció a dicho cargo por no estar de acuerdo con el sistema del juramento. En su testamento mandó fundar a sus expensas las "Pláticas de Boyle", no de ciencia, sino sobre la defensa del cristianismo contra los no creyentes.

El orbital f

La serie de los elementos lantánidos ese corresponde con la parte de la tabla periódica que, como no cabe horizontalmente, se suele colocar en la parte de abajo. La característica que define a un elemento es el número de protones en su núcleo atómico. Si un átomo tiene de  51-71 protones es un lantánido. Desde el lantano hasta el lutecio estos elementos tienen espacio para hasta 14 electrones que pueden ocupar un lugar en la capa alrededor del núcleo atómico, capa f. La extraña forma de sus orbitales convierte a los lantánidos en unos subestimados trabajadores milagrosos de la tecnología moderna.

Los orbitales f (l=3) tienen un aspecto multilobular. Existen siete tipos de orbitales f, que corresponden a m=-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3.

Aspecto del orbital f

BIOGRAFÍA DE Eugen Goldstein

Eugen Goldstein, nació en Gleiwitz, 1850 y murió en Berlín, 1930, físico alemán. Colaborador del observatorio de Berlín y del Instituto de Física Técnica, fue el descubridor de los rayos positivos o canales e introdujo el término «rayos catódicos». Estudió también los espectros atómicos.

Profesor de física en la Universidad de Berlín desde 1888, Eugen Goldstein llevó a cabo, con la ayuda de la Academia alemana de Ciencias, numerosos experimentos sobre las descargas eléctricas en el vacío que le llevaron al descubrimiento de los rayos canales. El estudio de las trayectorias de tales rayos conduciría en 1913 a Thomson y a Aston al descubrimiento de los isótopos. Goldstein hizo la primera comunicación de su descubrimiento a la Academia de Berlín en 1886 y prosiguió sus investigaciones sobre el mismo tema hasta aproximadamente 1915. En 1930 sus estudios, que se encontraban diseminados en publicaciones alemanas, fueron reunidos y publicados por Gehrcke con el título de Rayos Canales.

Goldstein observó que, al producirse una descarga eléctrica en un tubo que contuviera un gas rarificado, empleando como electrodo negativo (cátodo) una lámina metálica normal al eje del tubo y provista de unos agujeritos, se veían partir de los propios agujeros brillantes rayas rectilíneas dirigidas a la parte opuesta a la ocupada por el electrodo positivo (ánodo). Si el gas contenido en el tubo era aire, las rayas presentaban un hermoso color amarillo. La forma rectilínea hizo en seguida pensar en rayos que se propagasen en línea recta. Goldstein dio entonces a estas rayas el nombre de rayos canales, queriendo con ello significar que salían de los canales practicados en el cátodo.

Este curioso nombre (que debía ser provisional, en espera de que se revelase la naturaleza del fenómeno) se impuso en el uso y ha pasado al vocabulario científico internacional. Del hecho de que dos haces de rayos canales puedan cruzarse sin estorbarse, y del hecho de que no parecían influenciables por medio de campos eléctricos ni magnéticos, Goldstein excluyó que se pudiese tratar de partículas de materia cargadas de electricidad y lanzadas a grandes velocidades. Pero luego se demostró que tal punto de vista era equivocado, y hoy se sabe que los rayos están constituidos de partículas cuyo peso es del orden del átomo y que, formados en las proximidades del cátodo, atraviesan los agujeritos a velocidades altísimas, y continúan propagándose en línea recta por inercia.

Eugen Goldstein

BIOGRAFIA DE James Chadwick

James Chadwick nació en Manchester en 1891 y murió en Cambridge, 1974, físico inglés, premio Nobel de Física en 1935 por el descubrimiento del neutrón. Estudió bajo la tutela de Rutherford en la Universidad de Manchester, donde se licenció en 1911. Viajó a Berlín para ampliar su formación, esta vez bajo la dirección de Geiger. Sus investigaciones se vieron paralizadas a causa de la Primera Guerra Mundial.

En 1919, Chadwick volvió a Cambridge y prosiguió su colaboración con Rutherford, quien había descubierto en 1917 la desintegración atómica artificial al estudiar el átomo de nitrógeno y continuaba trabajando con otros elementos ligeros. Rutherford había teorizado sobre la existencia de nuevos núcleos atómicos, formados en su concepción por protones y electrones.

En 1932, durante el estudio de una radiación detectada por W. Bothe (1891-1957), logró identificar sus componentes como partículas con una masa equivalente a la del protón, pero carentes de carga, descubriendo así la existencia de los neutrones, componentes del núcleo atómico junto con los protones, y que harían posible el descubrimiento de la fisión atómica. Chadwick dio a conocer sus trabajos en la revista Nature; sin embargo, no se ocupó de la función del neutrón en el núcleo atómico, trabajos de los que se hizo cargo, casi de forma inmediata, el físico alemán Werner Heisenberg, y que supusieron el comienzo de la física cuántica.

Chadwick fue profesor de física en la (Universidad de Liverpool) desde 1935. Como resultado del memorándum Frisch-Peierls en 1940 sobre la factibilidad de la bomba atómica fue incorporado al Comité MAUD, que investigó la cuestión. Visitó Norteamérica como en la Misión Tizard de 1940 para colaborar con estadounidenses y canadienses en la investigación nuclear. Tras volver a Inglaterra en noviembre de 1940, concluyó que nada sacaría de las investigaciones hasta el final de la guerra. En diciembre de 1940, Franz Simon, encargado de MAUD, afirmó que era posible separar el isótopo del uranio 235. El informe de Simon incluía las estimaciones de costes de una gran planta de enriquecimiento de uranio. Más tarde, James Chadwick escribiría que fue en aquella época cuando "me di cuenta de que la bomba atómica no sólo era posible, también inevitable. Entonces empecé a tomar somníferos. Era el único remedio."

Poco después se unió al Proyecto Manhattan en los Estados Unidos, que desarrolló la bomba atómica lanzada en Hiroshima y Nagasaki.Que fue el 9 de agosto de 1945. Desde 1946, fue asesor de la Comisión de la Energía Atómica de las Naciones Unidas.

James Chadwick



BIOGRAFIA DE Ernest Rutherford

Ernest Rutherford, nació el 30 de agosto de 1871, en Nelson, Nueva Zelanda y estudió en la Universidad de Nueva Zelanda y en la de Cambridge. Fue profesor de física en la Universidad McGill de Montreal, Canadá, desde 1898 a 1907 y en la de Manchester, en Inglaterra, durante los 12 años siguientes. A partir de 1919 ejerció como profesor de física experimental y director del Laboratorio Cavendish en la Universidad de Cambridge y también mantuvo una cátedra, a partir de 1920, en la Institución Real de Gran Bretaña en Londres.

Rutherford fue uno de los primeros y más importantes investigadores en física nuclear. Poco después del descubrimiento de la radiactividad en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel, Rutherford identificó los tres componentes principales de la radiación y los denominó rayos alfa, beta y gamma. También demostró que las partículas alfa son núcleos de helio. Su estudio de la radiación le llevó a formular una teoría de la estructura atómica que fue la primera en describir el átomo como un núcleo denso alrededor del cual giran los electrones.

En 1919 Rutherford dirigió un importante experimento en física nuclear cuando bombardeó nitrógeno con partículas alfa y obtuvo átomos de un isótopo de oxígeno y protones. Esta transmutación de nitrógeno en oxígeno fue la primera que produjo una reacción nuclear de forma artificial. Inspiró la investigación de los científicos posteriores sobre otras transformaciones nucleares y sobre la naturaleza y las propiedades de la radiación. Rutherford y el físico británico Frederick Soddy desarrollaron la explicación de la radiactividad que todavía aceptan los científicos actuales.

Rutherford fue elegido miembro de la Sociedad Real en 1903 y ejerció como presidente de esta institución desde 1925 a 1930. En 1908 fue galardonado con el Premio Nóbel de Química y recibió el título de sir en 1914. Murió en Londres el 19 de octubre de 1937 y fue enterrado en la Abadía de Westminster. Entre sus escritos se encuentran: Radioactivity (Radiactividad, 1904); Radiations from Radioactive Substances (Radiaciones de las sustancias radiactivas, 1930), que redactó con los físicos James Chadwick y Charles Drummond Ellis y que se ha convertido en un texto clásico, y The Newer Alchemy (La Nueva alquimia, 1937).

Ernest Rutherford, que obtuvo el Premio Nobel de Química en 1908, fue un pionero de la física nuclear por sus investigaciones experimentales y su desarrollo de la teoría nuclear de la estructura atómica. 

Bombardeando gas nitrógeno con partículas alfa (partículas nucleares emitidas en procesos radiactivos), Rutherford logró transformar un átomo de nitrógeno en un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno. Este experimento fue un primer estímulo para el desarrollo de la energía nuclear, que se libera en cantidades enormes por la desintegración nuclear.

Ernest Rutherford y sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden bombardearon con partículas alfa (con carga positiva) una lámina muy fina de oro y observaron que, aunque la mayor parte de las partículas la atravesaban sin desviarse, unas pocas sufrían una desviación bastante acusada e incluso algunas rebotaban al llegar a la lámina. Para explicar estos resultados, Rutherford propuso el modelo nuclear del átomo, según el cual un átomo está constituido en gran medida por espacio vacío, la carga positiva y la mayoría de su masa están concentradas en una pequeña región central llamada núcleo. En este modelo, los electrones, con carga negativa, giraban en órbitas alrededor del núcleo.

Ernest Rutherford