Tabla Periodica De Los Elementos Y Sus Iones Para Ciencias De La Tierra

Introducción a la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones

para Ciencias de la Tierra

Juan Pablo Bernal1,* y L. Bruce Railsback2

1 Instituto de Geología, Universidad Nacional Autónoma de México,

Ciudad Universitaria, 04510 Cuidad de México, México.

3 Department of Geology, University of Georgia,

Athens, Georgia 30602-2501, EE. UU.

* jpbernal@geologia.unam.mx

RESUMEN

En el presente artículo se muestran los principios y ventajas que ofrece la Tabla Periódica de los

Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra, originalmente publicada en Railsback, L.B., 2003,

An Earth scientist’s periodic table of the elements and their ions, Geology, 31(9): 737-740. A diferencia

de la tabla periódica convencional, en donde únicamente se considera a los elementos en estado de

oxidación cero, la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones acomoda a las especies de acuerdo a

los estados de oxidación posibles en la naturaleza. Esto implica el reacomodo de algunas especies así

como la aparición de algunos elementos en diversas posiciones.

La clasifi cación de las especies de acuerdo a su estado de oxidación permite que las características

intrínsecas de cada ión, polarizabilidad y potencial iónico (ϕ), pongan en evidencia algunas tendencias

biogeoquímicas previamente elucidadas de manera semiempírica. A partir de la polarizabilidad es posible

establecer patrones de reactividad y compatibilidad de los iones, mientras que el potencial iónico permite

evidenciar tendencias en el comportamiento de los iones bajo diferentes condiciones de diferenciación

geoquímica. Se muestra que la interacción de los diferentes iones con el ión óxido (O2-), modulada por el

potencial iónico del catión, juega un papel fundamental en la mayoría de los procesos de diferenciación

geoquímica, incluyendo hidrogeoquímica, intemperismo, petrogénesis ígnea, entre otros. Debido al amplio

rango de aplicaciones, la Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones tiene el potencial de convertirse

en una herramienta de vital importancia para el estudioso en Ciencias de la Tierra.

Palabras Clave: elementos, iones, tabla periódica, polarizabilidad, potencial iónico, clasifi cación.

ABSTRACT

This paper presents the basic principles behind “An Earth Scientist’s Periodic Table of the Elements

and Their Ions”, originally published in Railsback, L.B., 2003, An Earth scientist’s periodic table of the

elements and their ions, Geology, 31(9): 737-740. In contrast to Mendelejeff’s periodic table, where

all elements are classifi ed according to their ground state (or oxidation state = 0), the Periodic Table

of the Elements and Their Ions, classifi es elements and ions according to their natural oxidation state.

Consequently, some elements are displayed in several positions within the table, and some others have

been relocated.

The classifi cation of the ions according to their oxidation state allows the visualization of trends

based upon intrinsic characteristics of each ion (such as polarizability and ionic potential) that evidence the

biogeochemical behavior of the elements and their ions. Many of those trends were only semi-empirically

inferred until now. Reaction paths for different ions are deducted from their polarizability, whereas the

ionic potential allows to infer the behavior of the ions under diverse geochemical differentiation processes.

Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, v. 25, núm. 2, 2008, p. 236-246

La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones para Ciencias de la Tierra 237

INTRODUCCIÓN

La Tabla periódica de los elementos propuesta por

Mendelejeff (1869) ha probado ser una herramienta de gran

utilidad para predecir las propiedades químicas y físicas

de los elementos, incluso de aquellos que no existen de

manera natural en la Tierra. A pesar de diversos esfuerzos

recientes por mejorarla, la clasifi cación de los elementos

propuesta por Mendelejeff hace casi 150 años sigue siendo

parte fundamental de la instrucción química básica. Sin

embargo, desde el punto de vista geoquímico, la tabla

periódica tradicional presenta una serie de limitaciones

que surgen, principalmente, del hecho de que describe

las propiedades físicas y químicas de los elementos en su

estado basal (o estado de oxidación = 0). Sin embargo,

la mayoría de los elementos en la naturaleza ocurren con

un estado de oxidación diferente de cero. Un ejemplo de

esto son los metales alcalinos, tales como Li, Na, K y Rb;

la tabla periódica tradicional permite establecer con gran

precisión sus propiedades físicas y químicas, sin embargo,

en ambientes naturales, siempre se encontrarán formando

cationes univalentes, con propiedades químicas y físicas

signifi cativamente diferentes de sus análogos metálicos.

Por ejemplo, los metales alcalinos en estado basal son

altamente incompatibles con el agua, mientras que los iones

correspondientes son altamente compatibles con ésta.

Al y Si son otros ejemplos de elementos que muestran un

comportamiento contrastante al de sus iones; mientras que

Si4+ y Al3+ se encuentran entre los iones más abundantes en

la corteza terrestre (McDonough y Sun, 1995), las especies

elementales son muy poco comunes, pero no inexistentes.

Aunado a lo anterior, varios elementos presentan más de un

estado de oxidación de manera natural, y las propiedades

geoquímicas de cada uno de ellos no pueden ser explicadas

utilizando la clasifi cación periódica de Mendelejeff.

En virtud de lo anterior, recientemente se ha propuesto

una clasifi cación de los elementos y sus iones, que permite

entender su comportamiento y asociaciones geoquímicas

(Railsback, 2003), así como establecer las bases para la

mineralogía sistemática (Railsback, 2005). De manera

general, esta clasifi cación está basada en la estabilidad de

los enlaces formados por los ácidos duros y blandos con

los iones O2- y S2- (bases dura y blanda, respectivamente),

así como en la densidad de carga de los diferentes cationes

(potencial iónico), lo cual tiene implicaciones directas en

el carácter del enlace formado con el ión O2-. Lo anterior

implica que la interacción de los diferentes cationes con el

oxígeno regula gran parte de los procesos de diferenciación

geoquímica.

A diferencia de la tabla periódica de los elementos

de Mendelejeff, la nueva clasifi cación permite explicar

tendencias y agrupaciones de elementos y iones previamente

observados de manera empírica en diversos ramos

de la geoquímica. Como resultado se tiene una herramienta

integral que puede aplicarse al entendimiento de diversos

procesos geoquímicos, desde la diferenciación elemental

en el manto de la Tierra, hasta procesos de intemperismo,

hidrogeoquímica y mineralogía.

De esta manera, el presente artículo pretende difundir

entre la audiencia geológica de habla española las ventajas

que ofrece la clasifi cación de Railsback (2003) para facilitar

la comprensión de las propiedades geoquímicas de los

elementos y sus iones.

PRINCIPIOS PARA LA CLASIFICACIÓN

La Tabla Periódica de los Elementos y sus Iones ha

sido organizada de acuerdo con la dureza o blandura de los

iones. Se entiende como un ión duro aquel que posee una

alta densidad de carga positiva alrededor del núcleo atómico

y un radio iónico pequeño, por lo que la nube electrónica

(carga negativa) alrededor del núcleo es poco deformable

ante la infl uencia de un campo eléctrico externo (Figura

1a). Por otro lado, un ión blando posee una baja densidad

de carga positiva alrededor del núcleo y es relativamente

grande, de manera que la nube electrónica es fácilmente

deformable ante la infl uencia de campos eléctricos externos

(Figura 1b). Los términos “duro” y “blando” provienen de

la teoría de ácidos y bases duros y blandos propuesta por

Pearson (1963), la cual establece, de manera cualitativa, que

cationes metálicos con alta carga y radio iónico pequeño

(ácidos duros o tipo “A”), tienen la tendencia a asociarse

de manera preferencial con ligantes o aniones pequeños y

poco polarizables (bases duras, p. ej. F-, O2-). De manera

contraria, aquellos cationes grandes y de baja densidad de

carga (ácidos blandos o tipo “B”), correspondientes a iones

que poseen electrones en la capa de valencia y que no han

alcanzado su máximo estado de oxidación, tienden a asociarse

preferentemente con ligantes grandes y polarizables

(bases blandas, p. ej. S2-, Se2-).

Como regla general, los ácidos duros reaccionan

preferentemente con las bases duras y los ácidos blandos

reaccionan preferentemente con las bases blandas (Cotton

y Wilkinson, 1988), donde la “preferencia” debe entenderse

como mayor velocidad de reacción y mayor conversión al

It is shown that the interaction of different cations with the oxide ion (O2-) plays a pivotal role in most

processes of geochemical differentiation, such as aqueous geochemistry,

...