domenica 4 dicembre 2011

Proprietà Periodiche

L'enorme varietà della materia, che si manifesta a livello macroscopico, si riduce in funzione inversa della grandezza. A livello microscopico la materia tende all'uniformità.
Strutture complesse, diverse fra loro, sono costituite da combinazioni di subunità semplici e scarsamente eterogenee. L'alfabeto rappresenta un ottimo esempio: l'intero insieme delle parole della lingua italiana è costituito dalla composizione di sole 21 lettere. Chi ha studiato chimica organica avrà notato che Carbonio, Idrogeno ed Ossigeno formano numerose molecole diverse. Tutta la musica è composta da sole 7 note. Similmente, l'intera informazione necessaria allo sviluppo di qualsiasi organismo vivente è affidata alla combinazione di sole 4 basi azotate suddivise in triplette.

Più si procede verso l'infinitamente piccolo, più si riduce l'eterogeneità.
All'ultimo livello, l'unica differenza risiede fra i due tipi di particelle elementari di opposta carica: protone ed elettrone.
È stupefacente scoprire come l'immensa diversità della materia che si manifesta ai nostri occhi, dai fiori al mare, dagli uomini al sole, è formata unicamente dall'associazione di due cariche opposte.
Non v'è alcuna differenza tra il protone dell'Idrogeno ed un protone del Cloro o di qualsiasi altro elemento, ciò che contraddistingue ciascun elemento non è la diversità delle particelle costitutive bensì il numero di protoni presenti nel nucleo, ossia il numero atomico (indicato con Z).

Gli elementi sono disposti sulla tavola periodica in ordine crescente di numero atomico, da sinistra verso destra lungo i periodi e dall'alto verso il basso lungo i gruppi.
Le proprietà periodiche degli elementi sono conseguenza dei relativi numeri atomici.

Perciò vi è tutta la chimica inorganica condensata sulla tavola periodica.


Periodic Table Armtuk3

Tavola Periodica degli Elementi. Autore: Armtuk


Al crescere del numero atomico aumenta la massa, per cui si può osservare la progressiva crescita dei pesi atomici (il peso riportato, espresso in UMA, è una media della miscela isotopica naturale), pertanto gli elementi più pesanti si andranno a collocare in basso a destra del blocco p.
Inizialmente Mendeleev aveva ordinato gli elementi in funzione della peso atomico (alla sua epoca il numero atomico non erano ancora noto), successivamente, quando la tavola fu risistemata in funzione del numero atomico, si notò che le posizioni degli elementi nella nuova tavola coincidevano prevalentemente con quelle della tavola obsoleta per via della corrispondenza fra gli andamenti di peso atomico e numero atomico.


Dmitri Ivanowitsh Mendeleev
Ritratto di Dmitri Ivanowitsh Mendeleev. [Fonte]


Al crescere del numero atomico si generano nuovi orbitali. Poiché l'atomo nel suo complesso è neutro e dato che la carica (espressa in coulomb) dell'elettrone equivale a quella del protone, ne consegue che il numero degli elettroni eguaglia il numero atomico. Gli elettroni andranno a collocarsi sugli orbitali secondo il principio di Aufbau.

In definitiva, la tavola periodica è la rappresentazione del progressivo riempimento degli orbitali.

Perciò dalla tavola si può ricavare la configurazione elettronica di ciascun elemento.
Il numero quantico principale aumenta lungo i gruppi dall'alto verso il basso, mentre il numero quantico azimutale cresce lungo i periodi da sinistra verso destra ed è responsabile della suddivisione della tavola periodica in blocchi, ciascuno denominato con la lettera del rispettivo orbitale (s, d, p, f).
Considerando che la reattività dell'atomo è dovuta principalmente agli elettroni dello strato di valenza, gli elementi che si collocheranno lungo lo stesso gruppo possiederanno proprietà chimiche simili.
La colonna finale, sulla destra, rappresenta il gruppo dei gas nobili, i quali hanno completato l'ottetto e che pertanto non formano legami. La notazione della configurazione elettronica di ciascun elemento si ricava riportando quella del gas nobile che lo precede. Gli elementi formano legami per raggiungere la condizione di stabilità dei gas nobili. A questo proposito si usa suddividere gli elementi in metalli e non-metalli: gli elementi che si trovano sulla sinistra della tavola tenderanno a perdere gli elettroni di valenza per raggiungere la configurazione del gas nobile precedente (metalli), mentre gli elementi che si trovano a destra della tavola tenderanno ad acquistare elettroni per raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile successivo (non-metalli).
L'energia di prima ionizzazione è l'energia che occorre fornire per allontanare un elettrone dello strato di valenza di un atomo, formando un catione.
L'affinità elettronica è la tendenza dell'atomo ad attirare a sé ulteriori elettroni, tramutandosi in anione.
Pertanto i metalli possiedono una bassa energia di ionizzazione ed una bassa affinità elettronica, mentre i non-metalli possiedono un'elevata energia di ionizzazione ed un'elevata affinità elettronica. Dunque gli andamenti dell'energia di ionizzazione e dell'affinità elettronica crescono progressivamente lungo i periodi, da sinistra verso destra, e lungo i gruppi dal basso verso l'alto.

Dalla disposizione degli elementi nella tavola periodica è quindi possibile prevedere anche il tipo di legame chimico che si verificherà e quali composti si formeranno: un atomo ad elevata affinità elettronica strapperà l'elettrone ad un atomo a bassa energia di ionizzazione, formando un anione ed un catione i quali saranno reciprocamente attratti dall'opposta carica. Dunque tra un non-metallo ed un metallo si formerà un legame ionico ed il prodotto sarà un sale. Tra un non-metallo ed un altro non-metallo si formerà invece un legame covalente, mentre il legame metallico, intuibile dal nome, si forma tipicamente tra elementi metallici.

Dalla tavola periodica è possibile inoltre prevedere quali elementi formeranno ioni monovalenti o ioni bivalenti: per i metalli alcalini (prima colonna a sinistra, idrogeno escluso) è sufficiente perdere un singolo elettrone per raggiungere la configurazione del gas nobile che li precede. Una volta conseguita tale stabilità non verranno persi ulteriori elettroni. Il catione bivalente Calcio è un elemento di fondamentale importanza per gli organismi viventi, ricopre il ruolo di innesco dei processi fisiologici cellulari. Il Calcio fa parte dei metalli alcalino-terrosi (seconda colonna a partire dalla sinistra) e dalla sua posizione è prevedibile che tenderà a perdere consecutivamente due elettroni per raggiungere la configurazione stabile dell'Argon.

Infine, il numero quantico principale espande la superficie esterna dell'atomo, perciò il valore del raggio atomico (misurato dal dimezzamento del legame covalente) aumenta lungo i gruppi, mentre diminuisce lungo i periodi poiché con l'aumento del numero atomico l'accresciuta quantità di protoni esercita maggiore attrazione verso gli elettroni dello strato superficiale.
Specifiche tavole periodiche che riportano i valori dei raggi ionici (il raggio dell'atomo differisce da quello del corrispettivo ione) consentono di calcolare il rapporto radiale e quindi di prevedere la geometria del reticolo cristallino nei solidi ionici (struttura infinita).


Fonte: memorie universitarie.

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