11 maggio: TPE

Data pubblicazione: May 12, 2011 9:32:36 PM

La Tavola Periodica degli Elementi (TPE) ordina gli elementi secondo il numero di protoni ed elettroni dei loro atomi.

La tavola periodica è stata costruita nel 1869 dal chimico russo Dmitrii Mendeleev (1834-1907) ordinando le sostanze elementari in base alle loro proprietà fisiche e chimiche, ma senza avere idea della struttura degli atomi.

All'epoca non erano noti gli elettroni e non si sapeva nulla della struttura degli atomi, anche se Mendeleev per primo ipotizzò che gli atomi dovevano avere una struttura interna simile, per poter spiegare il cambio graduale di proprietà lungo i periodi e la somiglianza di proprietà degli elementi della stessa famiglia o gruppo.

Fu solo nel 1913 che Niels Bohr spiegò la tavola periodica in base alla disposizione degli elettroni negli atomi.

Nella prima colonna, o gruppo dei metalli alcalini, ci sono tutti gli atomi con un solo elettrone nel guscio più esterno (elettrone di valenza).

Nel secondo gruppo, dei metalli alcalino terrosi, ci sono atomi con due elettroni di valenza,

... e così via...

nel gruppo VIIA (17) ci sono gli atomi del gruppo degli alogeni, che possiedono 7 elettroni di valenza

Nell'ultimo gruppo, la colonna più a destra, ci sono gli atomi dei gas nobili, che sono stabili, dunque poco reattivi (inerti), perché completano l'ottetto (otto elettroni esterni).

Ogni riga della tavola periodica, o periodo, comprende tutti gli atomi che iniziano e completano il guscio più esterno disponendo gli elettroni meno legati.

Nelle righe sotto al terzo periodo sono disposti gli elettroni anche in certe orbite più interne lasciate dagli atomi delle righe precedenti, quindi abbiamo dei blocchi di elementi che differiscono solo per il numero di elettroni interni (blocchi d ed f). Questi elementi sono detti elementi di transizione e sono tutti metalli. Gli atomi dei metalli di transizione usano anche questi elettroni interni debolmente legati per legarsi ad altri atomi e formare ioni. Il fatto che questi elettroni siano meno legati degli elettroni esterni è dovuto alla particolare forma eccentrica delle orbite in cui si trovano.

Per esempio, sia il calcio (Z=20) che lo zinco (Z=30) hanno due elettroni esterni nel 4° strato, ma l'atomo di zinco ha 10 elettroni in più del calcio nel terzo strato. Tra questi due elementi ve ne sono diversi, come il cromo, il ferro e il rame, che usano sia elettroni esterni sia elettroni interni nel formare composti.

Per spiegare l'andamento delle principali proprietà chimiche degli elementi e le differenze di comportamento dei loro atomi, è molto utile rappresentare gli atomi stessi come formati da un nòcciolo (core in inglese) e dallo strato degli elettroni più esterni, o guscio di valenza. Il nòcciolo comprende il nucleo positivo e tutti gli elettroni degli strati più interni. La carica positiva del nòcciolo si trova quindi dalla differenza tra protoni del nucleo ed elettroni interni. Essendo l'atomo neutro, la carica del nòcciolo deve essere uguale al numero di elettroni esterni, quindi variabile tra +1 e +8.

Il calcolo è approssimato perché gli elettroni esterni e quelli interni non sono in realtà così ben separati come sembrerebbe in base al modello a orbite circolari di Bohr. Cioè le teorie dell'atomo più avanzate informano che gli elettroni esterni, nel loro movimento, penetrano in parte nel nocciolo. Inoltre non si può trascurare il fatto che gli elettroni del guscio di valenza, se sono più di uno, oltre ad essere attratti dal nocciolo, si respingono tra di loro. Questi due effetti dipendono molto dalla forma delle orbite, che già nelle prime correzioni del modello di Bohr, fatte dallo scienziato Arnold Sommerfeld nel 1915, potevano essere più o meno allungate.

Comunque questo semplice calcolo approssimato della carica del nòcciolo è sufficiente a spiegare le differenze di comportamento chimico tra i vari elementi, come quelli usati nell'esperimento del 3 maggio: litio, sodio, magnesio e calcio (due metalli alcalini, due metalli alcalino terrosi e due metalli consecutivi dello stesso periodo (sodio e magnesio).

Gli elettroni del guscio di valenza sono quelli più importanti per il comportamento chimico: sono quelli che interagiscono quando gli atomi si scontrano, legandosi o separandosi, sono quelli che possono essere aggiunti, tolti, condivisi perché meno legati, mentre gli elettroni dei gusci interni sono in genere inamovibili.

I fattori più importanti che decidono la mobilità degli elettroni di valenza sono la carica del nocciolo e il raggio atomico (dimensioni del guscio di valenza), secondo la seguente cmap.

Maggiore è la carica del nocciolo e minori saranno le dimensioni dell'atomo a parità di numero di strati, poiché il guscio esterno sarà attratto da una carica positiva più elevata. Con una carica del nocciolo maggiore, gli elettroni di valenza saranno attratti quindi da una distanza minore e da una carica positiva maggiore, per cui diventeranno sempre più difficili da togliere (ionizzare). In compenso, se tale guscio non sarà completo, diventerà più facile accogliere in esso nuovi elettroni di altri atomi, formando ioni negativi o condivisioni di elettroni tra atomi (legami chimici covalenti).

Possiamo concludere che l'energia di prima ionizzazione tenderà ad aumentare lungo un periodo a causa dell'aumento della carica del nocciolo e della dimensione del raggio atomico, mentre tenderà a diminuire scendendo in un gruppo, a causa del crescente numero di gusci e dimensioni degli atomi aventi carica del nocciolo approssimativamente costante. Per questa ragione il cesio, l'atomo stabile più in basso e più a sinistra della tavola periodica, avrà bassissima energia di ionizzazione e reagirà così facilmente (e violentemente) con l'acqua.

Abbiamo così tutti gli strumenti per comprendere i risultati sperimentali del laboratorio del 3 maggio.

Dettagli sulla reazione del calcio con acqua

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