28 Maggio 2012 La TPE: metalli, nometalli e una miniera di composti

Data pubblicazione: May 27, 2012 10:38:27 AM

TROVATE IL TEST DI PREPARAZIONE ALLA VERIFICA IN FONDO A QUESTA PAGINA

Come facciamo dalla configurazione elettronica a sapere se un elemento sarà metallico o nonmetallico?

C'è una regola approssimativamente valida: se ci sono più posti liberi che occupati nell'ultimo strato di elettroni (quelli meno legati) allora l'elemento sarà metallico.

Per esempio l'alluminio dispone solo tre elettroni nel terzo strato, che ne può contenere 8 (i 10 posti vuoti del sottostrato 3d non sono di fatto utilizzabili nel 3° periodo, ma lo saranno dal 4°), quindi sarà un metallo.

Per esempio, l'elemento successivo all'alluminio, il silicio, ha 4 elettroni cioè esattamente metà del massimo, quindi è un semimetallo (il più importante per l'industria dei semiconduttori), mentre i successivi, fosforo, zolfo e cloro, sono nettamente nonmetallici.

Vista la tendenza a lasciare sottostrati d ed f vuoti, e visto il gran numero di "posti" disponibili per gli elettroni in questi livelli (10 "posti" negli d e 14 negli f), a cui vanno sommati i 6 posti del sottostrato p dello stesso periodo, non ci meraviglia che la maggior parte degli elementi della tavola periodica siano metallici,

e che solo gli elementi più a destra della TPE (con strati completi per oltre la metà) siano nonmetallici.

I metalli sono separati dai nonmetalli da una linea a zig-zag nella TPE, intorno alla quale ci sono alcuni "metalloidi", e semimetalli,

cioè elementi con caratteristiche intermedie tra i metalli e i nonmetalli che ora andiamo a considerare.

Sono in genere considerati metalloidi B, Si, Ge, As, Sb e Te.

Nella TPE ci sono dunque molti elementi metallici, situati nei blocchi s, d ed f, (solo H fa eccezione, essendo nonmetallico)

e alcuni metalli, come alluminio, stagno e piombo, per citare i più noti e usati nella vita di tutti i giorni,

che sono piazzati a destra, ma in basso, nel blocco p.

Conosciamo diverse proprietà fisiche dei metalli: la lucentezza, la conducibilità, ecc., e non ci dilunghiamo su di esse.

È piuttosto importante ricordare le proprietà chimiche dei metalli: i metalli sono elementi in genere facilmente ossidabili (escluso l'oro e pochi altri),

formano cioè facilmente ioni positivi.

Il litio e il sodio hanno dato già dimostrazione della facile ossidabilità anche con uno dei più deboli ossidanti ("catturatori" di elettroni) esistenti: l'acqua.

La maggior parte dei metalli non resiste a un ossidante molto più forte che è lo ione idrogeno presente nelle soluzioni degli acidi in acqua, H⁺(aq).

Ma quasi nessun metallo resiste al potere ossidante dei nonmetalli quali gli alogeni e l'ossigeno, gli elementi aventi la maggiore affinità elettronica.

Tra questi, quello che preoccupa maggiormente è l'ossigeno, secondo solo al fluoro, dato che è presente costantemente nell'aria.

Il metallo più usato è il ferro perché molto abbondante e non perché sia difficilmente ossidabile.

Infatti, per renderlo meno ossidabile bisogna mescolarlo con un nonmetallo, il carbonio, e con altri metalli (cromo, nichel) che,

a differenza della friabile ruggine, formano ossidi superficiali talmente compatti da impedire che l'ossigeno penetri e continui a corrodere l'interno del metallo.

Abbiamo così l'acciaio inossidabile con cui si realizzano ad esempio le pentole e i bulloni.

Abbiamo già visto che la lega di nichel e cromo resiste anche al calore della fiamma rimanendo lucente.

I nonmetalli sono molti di meno, una dozzina: H, C, N, O, F, P, S, Cl, Se, Br, I, At, e si trovano tutti nel blocco p.

L'elevata carica del nòcciolo e le minori dimensioni dei loro atomi in uno stesso periodo, fanno aumentare la loro energia di ionizzazione e la loro affinità elettronica e li fanno diventare fortemente "elettron-attrattori".

Vista questa attrazione per gli elettroni, i nonmetalli non sono facilmente ossidabili, né conduttori di elettricità e calore.

Tutti i nonmetalli se portati a temperatura sufficientemente alta si combinano con ossigeno formando ossidi.

In alcuni casi (es. C, S, P) lo fanno bruciando. Il fosforo brucia anche per semplice contatto con l'aria.

Gli ossidi dei nonmetalli se messi in acqua in acqua formano acidi.

I nonmetalli tendono a formare ioni negativi o comunque a condividere elettroni con altri atomi nonmetallici o con atomi uguali.

È grazie a quei pochi nonmetalli che abbiamo un mondo vivente e non vivente ricco di molecole.

I nonmetalli si legano tra loro condividendo coppie di elettroni che rimangono ben stretti all'interno del legame tra i due atomi,

e non sono disponibili al di fuori del legame stesso. Questo legame si chiama "covalente" e spesso dà luogo a molecole.

Importanti esempi di molecole sono costituiti dall'acqua, dall'anidride carbonica (CO₂), dall'ammoniaca (NH₃), dal metano (CH₄) e dagli altri idrocarburi, in cui sono legati atomi di nonmetalli tra loro.

Abbiamo già visto casi semplici di composti ionici, formati tra metallo e nonmetallo, cioè da ioni positivi (metallici) e ioni negativi (nonmetallici),

e non formati da molecole.

Nel cloruro di sodio Na⁺Cl^-, ioduro di potassio K⁺I^-, ossido di magnesio Mg²⁺O^2-, ioduro di zinco Zn²⁺(I^-)₂ e ossido di alluminio (Al³⁺)₂(O^2-)₃,

le cariche positive bilanciano esattamente le cariche negative, ed entrambi gli atomi raggiungono l'ottetto perdendo o acquistando elettroni.

Questo è un criterio semplice per stabilire la formula di un composto ionico.

Ma come si fa a determinare la formula di una molecola, che non contiene ioni? Perché l'acqua, ad esempio, ha formula H₂O e l'anidride carbonica ha molecole CO₂, il metano ha molecole CH₄ e l'ammoniaca NH₃?

Basta sapere che un legame covalente si forma tra nonmetalli per accoppiamento di due elettroni, che poi saranno attratti da entrambi i noccioli positivi.

La condivisione degli elettroni farà sì che ciascun atomo legato raggiunga l'ottetto.

Un modo molto semplice per rappresentare tutto ciò è utilizzare le configurazioni elettroniche degli atomi nella notazione a punti di Lewis.

Come si vede in questa tavola periodica "abbreviata", gli elettroni dell'ottetto sono divisi in quattro coppie,

disposte intorno all'atomo centrale sopra, sotto, a destra e a sinistra, in modo da avere il massimo possibile di elettroni spaiati.

Per esempio il carbonio potrebbe avere due coppie invece ha 4 elettroni spaiati, e l'ossigeno, che potrebbe avere tre coppie è pronto a formare legami con due coppie e due elettroni spaiati.

Così gli elettroni singoli, o spaiati, vanno da un minimo di uno per i gruppi IA e VIIA a un massimo di 4 per il gruppo IVA e nessuno per gas nobili.

Questo modo "grafico" di rappresentare solo gli elettroni "utili" a formare i legami, cioè quelli esterni o elettroni di valenza, in numero uguale al numero del gruppo principale, ci permette di dimenticare le complicate configurazioni elettroniche che abbiamo usato finora.

Vediamo, per esempio, che l'atomo di ossigeno ha due coppie di elettroni e due elettroni spaiati, mentre l'idrogeno ha il suo unico elettrone.

Quindi ciascun elettrone spaiato dell'ossigeno potrà appaiarsi con un atomo di idrogeno col suo elettrone, e formare un legame covalente.

Alla fine l'ossigeno sarà circondato da 8 elettroni e avrà il suo ottetto, mentre ogni idrogeno avrà i due elettroni che gli fanno completare lo strato di valenza in modo simile al gas nobile elio.

Ciascuna coppia condivisa di elettroni di legame, anche se gli elettroni si muovono, attira da una parte il nòcciolo H⁺ e dall'altra il nòcciolo O⁺⁶;

è questa coppia che mantiene uniti stabilmente i due atomi, e perciò è chiamata coppia di legame.

In genere il legame covalente si indica con una linea, anziché con due puntini.

Le linee verdi tratteggiate nel disegno a sinistra indicano l'attrazione tra gli elettroni (negativi) e i nòccioli, positivi (+1 quello dell'idrogeno e +6 quello dell'ossigeno).

Ecco dunque spiegato perché l'acqua ha formula H₂O.

Il seguente schema mostra in modo dinamico come avviene la fusione delle orbite esterne e la formazione di un aggregato stabile dei tre atomi:

Proviamo a fare analogamente le molecole dall'anidride carbonica (CO₂), dall'ammoniaca (NH₃), e del metano (CH₄).

POSSIAMO RIASSUMERE COSI' I TRE PRINCIPALI TIPI DI LEGAME CHIMICO

Il legame ionico è dato dall'attrazione tra ioni di carica opposta che si ripetono in tre dimensioni (non ci sono molecole).

Il legame covalente, tra nonmetalli, è dato dalla coppia di elettroni condivisa, che attrae due nòccioli positivi. Questi ultimi possono far parte di una molecola.

Il legame metallico unisce atomi di elementi metallici grazie all'attrazione degli elettroni liberi per i nòccioli positivi che rimangono così uniti

Prevedere le formule dei seguenti ossidi: di gallio, di silicio.

Prevedere le formule delle molecole dei seguenti nonmetalli combinati con l'idrogeno: arsenico, zolfo, selenio, iodio.

GUARDA QUI LE SOLUZIONI DEL MODULO PER PREPARARTI ALLA VERIFICA

Esperimenti:

Test di ossidabilità in acqua (+ fenolftaleina): Calcio, Magnesio, Ferro

Test di ossidabilità in acido cloridrico: Magnesio, Ferro e Rame

Test di ossidabilità in aria: Fe polvere, Cu polvere, carbonio, zolfo