Ley de Moseley

¿Alguna vez has ido al médico y te han hecho una radiografía?; por ejemplo: porque te has roto un hueso, porque te dolía la espalda o, simplemente, para ver cómo de desarrollados estaban los dientes en tu boca. Para hacer las radiografías son necesarios los rayos X.

En este artículo estudiaremos la ley de Moseley. Esta ley pone en relación los rayos X emitidos por los átomos con su número atómico (es decir, con el número de protones o electrones que se encuentran en el núcleo del átomo).

• En este artículo, hablaremos sobre la ley de Moseley.
• Para ello, necesitamos comenzar por conceptos que serán muy importantes para entenderla:
  • La ley de Mendeléiev.
  • La tabla periódica moderna.
  • El número atómico.
  • El orden de los elementos en la tabla periódica y el porqué de su disposición.
  • La longitud de onda de los elementos.
• Finalmente, estudiaremos la fórmula de la ley de Moseley y su explicación.

Ley de Mendeléiev

Mendeléiev (también traducido como Mendeléyev) fue un científico ruso cuya aportación más importante a la química fue la creación de una tabla periódica. En ella, ordenó los elementos en función de su masa atómica y los agrupó según las propiedades comunes que tenían ciertos elementos.

Gracias a esta tabla periódica, se pudo deducir la existencia de ciertos elementos químicos que no se conocían en su época (de hecho, Mendeléyev dejó huecos en la tabla periódica en las que posteriormente se añadieron elementos extras, conforme se fueron descubriendo). En la actualidad, podemos deducir las propiedades que tendrán los elementos simplemente mirando su posición en la tabla periódica, ya que las propiedades (o tendencias) tienden a repetirse a lo largo de la tabla.

Pero, ¿Por qué fueron relevantes las aportaciones de Mendeléiev para que Moseley propusiera su ley? Pues bien, basándose en la tabla periódica de Mendeléyev, Moseley se dio cuenta de que los elementos de la tabla periódica debían de ser ordenados en función de su número atómico y no por su masa atómica; es decir, teniendo en cuenta el número de protones o electrones que tiene cada átomo en su núcleo.

Tabla periódica moderna: orden de los elementos

La tabla periódica moderna está formada por los elementos químicos ordenados en función de su número atómico creciente. Puede que notes que la forma general de la tabla es un poco extraña, ya que no es una simple lista; de hecho, los elementos están organizados en períodos y grupos específicos. Las filas de la tabla periódica se denominan períodos y las columnas se denominan grupos:

• El período nos indica cuántas capas tiene un átomodel elemento que estamos consultando.
  • Por ejemplo, el hidrógeno (H) y el helio (He) son los únicos elementos del primer período. Esto se debe a que son los únicos elementos con una sola capa. Un átomo de hidrógeno tiene un electrón y un átomo de helio tiene dos. Esto tiene sentido, ya que solo pueden caber 2 electrones en la primera capa.
• El grupo nos indica cuántos electrones hay en su capa más externa.
  • Por ejemplo, todos los elementos del grupo 1 tienen 1 electrón en su capa exterior. Del mismo modo, todos los elementos del grupo 3 tienen 3 electrones en su capa exterior.

Fig. 1: Tabla periódica: En esta tabla se pueden observar los distintos grupos de la tabla periódica;

se indica su nombre encima de cada uno de los grupos.

El grupo 18 contiene los elementos cuyos átomos tienen la capa más externa llena; es decir, que tienen el máximo número de electrones posibles. Por lo tanto, los elementos que se encuentran en este grupo son muy estables.

Como el número de electrones de la capa exterior determina las propiedades químicas del elemento, los elementos del mismo grupo tienen propiedades químicas similares. Esto significa que la estructura electrónica de un elemento está relacionada con el lugar que ocupa el elemento en la tabla periódica.

Además, según si un elemento está a la derecha o a la izquierda en la tabla periódica, podemos saber si es un elemento metálico o un elemento no metálico; los metales se encuentran en la parte izquierda de la tabla y los no-metales se encuentran en la parte derecha. Sinembargo, también hay categorías para elementos distintos, como los metales alcalinos, los metales de transición, los halógenos y los gases nobles.

¿Cómo se ordenan los elementos en la tabla periódica?

Los elementos de la tabla periódica están dispuestos en orden creciente de número atómico en la actualidad. Sin embargo, como hemos visto antes, en el pasado la tabla periódica se ordenaba en orden creciente, según la masa atómica de los elementos (tabla periódica de Mendeléyev).

Número atómico

Se representa con la letra Z y se coloca, como subíndice, a la izquierda del símbolo del elemento.

Longitud de onda de los elementos

Fig. 3: La longitud de onda está representada con la letra griega λ, como se puede ver en el gráfico.

A partir de esta definición, podemos deducir qué es la longitud de onda de los elementos. En este caso:

La longitud de onda de un elemento se puede calcular con la siguiente fórmula:

$$\lambda = \frac{v}{f}$$

Siendo:

• λ: longitud de onda.
• v: velocidad de la onda.
• f: frecuencia (es el número de veces que se repite la onda en una unidad de tiempo).

Cuando un átomo se excita, (por ejemplo) porque lo calentamos y provocamos que aumente su temperatura, sus electrones empiezan a moverse muy rápidamente y comienzan a oscilar entre los diferentes niveles de energía; generalmente se quedan atrapados en capas de mayor energía (capas superiores). Cuando esta estimulación cesa, los electrones vuelven a sus capas originales. La energía que tenían se libera en forma de fotón, que tiene una longitud de onda determinada, debido a la diferencia energética que hay entre esos estados de excitación.

Cada elemento tiene una serie espectral diferente.

Ley de Moseley

A partir de lo que hemos visto hasta ahora podemos, finalmente, explicar la Ley de Moseley.

Durante los primeros años del siglo XX, Henry Moseley utilizó los rayos X para estudiar las propiedades de ciertos elementos, fijándose en los espectros que dejaban los elementos que se encontraban situados cerca los unos de los otros en la tabla periódica. Así, Moseley se dio cuenta de que tenía mucho más sentido ordenar los elementos en la tabla periódica en función de su número atómico y no en función de su masa atómica (como se había hecho hasta ese momento). En concreto, lo que descubrió fue que, a medida que avanzaba en la tabla periódica, la serie espectral se desplazaba hacia longitudes de onda menores.

La fórmula con la que podemos explicar la ley de Moseley es la siguiente:

$$\sqrt v = A(Z-b) $$

• v: frecuencia de los rayos X.
• A: constante que depende de la serie espectral del elemento.
• Z: número atómico del elemento.
• b: constante que depende de la serie espectral del elemento.

Por lo tanto, sabemos que la raíz cuadrada de la frecuencia de los rayos X con los que estamos estimulando al átomo es proporcional a su número atómico.

Gracias a esta nueva disposición de los elementos en la tabla periódica, los átomos siguen las tendencias periódicas enunciadas por Mendeléiev y, además, se corrigieron algunos fallos que tenía la tabla periódica anterior.

Estos son algunos fallos que se corrigieron:

• Se dejó el primer período con tan solo dos elementos, el hidrógeno (H) y el helio (He), ya que solo ellos dos tienen características similares que les hacen estar posicionados de esta manera.
  • Por ejemplo, el tener solamente una capa de electrones.
• Algunos elementos estaban colocados invertidamente.
  • Por ejemplo el potasio (K) y el argón (Ar), el yodo (I) y el teluro (Te) o el cobalto (Co) y el níquel (Ni); esto se corrigió gracias al nuevo orden en el que los elementos se dispusieron en orden creciente de número atómico.
• Además, se descubrió que entre el bario (Ba) y el hafnio (Hf) hay otros 15 elementos: los lantánidos.