JUSTIFICACIÓN DEL SISTEMA PERIÓDICO (FAMILIAS Y PERIODOS)

 

La configuración electrónica de los elementos  interpreta las semejanzas entre elementos de la misma columna o grupo, da cuenta de la longitud de los periodos (es decir, del número de elementos que los constituyen) y también explica las variaciones de las propiedades, tanto verticalmente (entre los elementos de un mismo grupo) como horizontalmente (entre los elementos del mismo periodo).
 

Interpretación electrónica de las familias

 
He = 1s2
Ne = 1s2 2s2 2p6
Ar = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Kr = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 3p6
 

A la izquierda se expone la configuración electrónica de los cuatro primeros elementos de la columna cero del sistema periódico (gases nobles). Se caracterizan por tener saturados todos los orbitales electrónicos, completando respectivamente uno, dos tres y cuatro capas o niveles de energía. Como se ha dicho, esta disposición electrónica aporta una gran estabilidad del átomo. Existe un gran salto de energía entre este estado y el siguiente, por lo que los electrones encuentran gran dificultad para adoptar otra configuración.
 

Esta estructura estable de los gases nobles se adopta como referencia para observar las semejanzas entre los elementos que conforman el resto de familias (misma columna) de elementos químicos. Así se refleja en la tabla siguiente, donde se han escrito configuraciones de los 4 primeros elementos de cada una de las 7 columnas restantes, que completan la parte principal del esqueleto del sistema periódico. Resulta evidente que dichas configuraciones son semejantes en cada grupo o familia, y ello está en la base de que en general tengan un comportamiento bastante parecido.
 
Grupo I Grupo II Grupo III Grupo IV Grupo V Grupo VI Grupo VII
Li = [He] 2s1 Be = [He] 2s2 B = [He] 2s2 2p1 C = [He] 2s2 2p2 N = [He] 2s2 2p3 O = [He] 2s2 2p4 F = [He] 2s2 2p5
Na = [Ne] 3s1 Mg = [Ne] 3s3 Al = [Ne] 3s2 3p1 Si = [Ne] 3s2 3p2 P = [Ne] 3s2 3p3 S = [Ne] 3s2 3p4 Cl = [Ne] 3s2 3p5
K = [Ar] 4s1 Ca = [Ar] 4s2 Ga = [Ar] 3d10 4s2 4p1 Ge = [Ar] 3d10 4s2 4p2 As = [Ar] 3d10 4s2 4p3 Se = [Ar] 3d10 4s2 4p4 Br = [Ar] 3d10 4s2 4p5
Rb = [Kr] 5s1 Sr = [Kr] 5s2 In = [Kr] 4d10 5s2 5p1 Sn = [Kr] 4d10 5s2 5p2 Sb = [Kr] 4d10 5s2 5p3 Te = [Kr] 4d10 5s2 5p4 I = [Kr] 4d10 5s2 5p5
 

Además de los 8 grupos mencionados del sistema periódico, se ha de considerar a los elementos comprendidos entre las 7 +1 columnas principales. Estos elementos forman dos grandes grupos: "metales de transición" y "tierras raras".
 

Al seguir la regla nemotécnica que recuerda el orden general de "llenado" de los orbitales, se obtiene que las configuraciones electrónicas de los elementos de transición tendrían una subcapa de orbitales de tipo d no completa, mientras que las de las llamadas "tierras raras" estarían en una situación similar con respecto a una subcapa de orbitales de tipo f.  No obstante, la realidad es más rica y compleja, porque, como se ha comentado, entre los orbitales (n-1)d y ns (por ejemplo, entre 3d y 4s), existe una diferencia de energía muy pequeña y además se ha de tener en cuenta que estructuras del tipo d5 o d10 f7 y f14 son, en términos relativos, muy estables.
 
Cu =[Ar] 3d10 4s1
Ag = [Kr] 4d10 5s1
Au = [Xe] 4f14 5d10 6s1
 

Esta es la causa, por ejemplo, los que los tres elementos de la tabla adjunta (a la izquierda), que se ubican en el sistema periódico en la zona de metales de transición, tengan una estructura electrónica parecida a la de los elementos del grupo I (alcalinos): Obsérvese que terminan su última capa con un orbital semi-lleno de tipo s (debido a la estabilidad de las estructuras orbitales d10 y f14).
 

Mendeleiev colocó a estos tres elementos en la misma columna que los alcalinos (columna I) en su primera clasificación, aunque conocía que, junto con las semejanzas, también hay importantes diferencias entre ambos grupos.
 

Los ejemplos comentados revelan que  es  complejo prever la configuración de bastantes elementos en su estado fundamental, puesto que no en todos los casos se puede seguir una regla fija para establecerla. La configuración  real se determina por medio de técnicas del análisis espectral del elemento, aunque dichas técnicas no siempre se pueden aplicar (Por el momento, se desconoce la configuración de los elementos con número atómico por encima del 104, todos ellos detectados artificialmente y extremadamente inestables).

 
Interpretación electrónica de los periodos 
 
Grupos de orbitales 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 6p
Número de electrones 2 8 8 18 18 32 32
 

El número de electrones de los periodos coincide con la capacidad de los sucesivos grupos de orbitales de conformarse con un número máximo de electrones, tal como se especifica en la tabla adjunta.
 

Teniendo en cuenta que el mayor salto de energía entre orbitales se produce entre periodo y periodo, la pertenencia de un varios elementos a un mismo periodo indica que todos ellos tienen el mismo número de capas electrónicas. Sin embargo, sus comportamientos químicos serán muy diferentes, dado que es sustancialmente distinta la estructura electrónica en la última capa de cada uno.