Chimica per il liceo/La tavola periodica e le proprietà periodiche
Verso il sistema periodico modifica
Alla fine del Settecento si conoscevano solo 22 elementi; dopo grazie a Humphry Davy (1778-1829) e Jons Jacob Berzelius (1779-1848) si arrivò a conoscerne 55. Nel 1860 al congresso di Karlsruhe Stanislao Cannizzaro (1826-1910) presentò un metodo attendibile per determinare le masse atomiche, solo dopo iniziò una prima effettiva classificazione degli elementi. Sulla base delle proprietà degli elementi conosciuti e delle formule dei loro composti con l’idrogeno e l’ossigeno si individuarono le prime “famiglie” di elementi con caratteristiche simili. Julius Lothar Meyer (1830-1895) e Dimitrij Ivanovic Mendeleev (1834-1907) individuarono il criterio con cui classificare gli elementi. Poi Mendeleev fece un passo in avanti: individuò la legge della periodicità, di fatto egli ordinò gli elementi in base alla massa atomica crescente e analizzò le proprietà chimiche. Pochi anni più tardi, nel 1875, Paul-Émile-Lecoq de Boisbaudran (1838-1904) isolò il germanio (Ge), che riempì una delle due caselle vuote lasciate da Mendeleev, ciò confermò la validità delle leggi di quest’ultimo.
La moderna tavola periodica modifica
La classificazione proposta da Mendeleev è ancora valida in linea generale, però ora il criterio utilizzato è diverso: non ci si basa più sulla massa atomica, bensì sul numero atomico Z crescente. Dal momento che all’aumentare di Z aumenta anche la massa atomica, i due ordinamenti si differiscono solo in alcuni casi e già Mendeleev stesso ha collocato il tellurio (con massa atomica 128) prima dell’iodio (con massa atomica 127) per una questione di somiglianza delle proprietà. La legge della periodicità afferma che le proprietà fisiche e chimiche degli elementi sono una funzione periodica del loro numero atomico Z e la periodicità di alcune proprietà degli elementi è dovuta alla disposizione dei loro elettroni più esterni. Data l’importanza gli elettroni del guscio esterno vengono chiamati elettroni di valenza . Il termine “valenza” è stato coniato nell’Ottocento da Edward Frankland (1825-1899) per esprimere la “potenza” di un atomo, ovvero il suo potere di combinarsi con atomi di altri elementi.
I metalli maggiormente utilizzati nella lavorazione industriale modifica
Il ferro è un metallo molto diffuso in natura e ha un ruolo centrale nei prodotti industriali. Allo stato puro è quasi introvabile, è invece abbondante sotto forma di composti quali ossidi (ruggine), idrossidi, carbonati e solfuri. Questi composti sono presenti in molti minerali, ad esempio nella magnetite, utilizzata per la costruzione di bussole. La siderurgia realizza leghe ferro-carbonio.
L’alluminio è molto diffuso in natura sotto forma di idrossido e nelle applicazioni industriali. È un metallo leggero, con ottima conduttività termica ed elettrica, temperatura di fusione relativamente bassa. Poco utilizzato allo stato puro, piuttosto viene usato allo stato di allumina con cui si realizzano abrasivi. La metallurgia invece impiega largamente le sue leghe.
ll rame è un metallo molto importante nell’attuale produzione industriale, sia allo stato puro sia sotto forma di composti e di leghe. In natura il rame si trova sia puro sia combinato in minerali sotto forma di ossidi, solfuri e carbonati. Presenta ottima conduttività elettrica e termica. Si ossida facilmente in una patina (verderame) che gli conferisce un’ottima resistenza agli agenti atmosferici. Ha una grande attitudine a formare leghe, quali il bronzo o l’ottone.
Le proprietà atomiche e gli andamenti periodici modifica
Le proprietà atomiche sono quelle grandezze caratteristiche di ogni atomo i cui valori variano in maniera regolare, periodica appunto, lungo i periodi e i gruppi della tavola periodica. Queste proprietà sono legate al comportamento degli elettroni più esterni, che percepiscono la carica positiva del nucleo. Indi per cui:
- Scendendo lungo un gruppo, il numero quantico principale n aumenta, gli elettroni di un atomo si spostano verso l’esterno e così gli elettroni risentono meno dell’attrazione nucleare.
- Procedendo da sinistra a destra lungo un periodo, il numero degli elettroni nel livello più interno rimane costante ma aumenta la carica positiva, perché aumenta Z, quindi gli elettroni di valenza vengono maggiormente attratti dal nucleo.
Il raggio atomico: è la metà della distanza minima tra due atomi dello stesso elemento. Il valore aumenta muovendosi lungo un gruppo dall'alto verso il basso mentre diminuisce spostandosi lungo lo stesso periodo andando da sinistra verso destra. Ma vanno fatte alcune precisazioni:
- elementi di transizione: in parte diverso dai gruppi principali.
- gas nobili (ovvero gli elementi del gruppo VIII): valori del raggio atomico più alti.
Inoltre:
- catione: ha un volume minore di quello dell’atomo neutro.
- anione: ha volume maggiore di quello dell’atomo neutro.
L'energia di ionizzazione: è l'energia necessaria per allontanare fino a rimuovere un elettrone dall' atomo quando esso è isolato. Fornendo abbastanza energia è possibile allontanare tutti gli elettroni dal nucleo: questo processo prende il nome di ionizzazione. Man mano che si rimuovono elettroni, l'energia di ionizzazione aumenta perché è più difficile strappare un elettrone da uno ione positivo rispetto a un atomo neutro. Alcuni esempi sono:
| Be(g) + 899kJ | → | Be+(g) + e- |
| Be+(g) + 1757kJ | → | Be2+(g) + e- |
La tavola periodica modifica
La tavola periodica degli elementi, o tavola di Mendeleev, è uno schema ordinato di tutti gli elementi costituenti della materia, organizzato in colonne (chiamate gruppi) e righe (chiamati periodi) e ne riassume le principali proprietà. È stata ideata nel 1869 dal chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev.