Scienza

La Tavola Periodica

Raffaele Pio Fiumara 4ALS

Strumento fondamentale della chimica e di tutte le scienze su cui essa si basa, la Tavola Periodica è uno schema compatto che organizza tutti gli elementi chimici, scoperti o sintetizzati, seguendo regole ben precise. Prima di analizzare dettagliatamente ciascuna di queste regole, è necessario raccontare la storia della Tavola Periodica. Inizialmente chiamata Tavola di Mendeleev, dal nome del suo inventore, il chimico russo che nel 1869 dispose i 63 elementi chimici allora conosciuti in colonne e righe, basandosi sul peso atomico crescente (la massa media di un elemento) e sulle proprietà chimico-fisiche simili tra gli elementi. Una curiosità importante è che Mendeleev lasciò appositamente spazi vuoti nella sua tavola, consapevole che chimici e scienziati successivi avrebbero scoperto nuovi elementi e completato così la sua opera. Successivamente, furono scoperte caratteristiche dell’atomo che cambiarono le regole della disposizione degli elementi sulla Tavola, come:

• Numero atomico, Z, il numero di protoni (particelle dell’atomo con carica positiva) presenti nel nucleo di un atomo;

• Numero di elettroni (particelle dell’atomo con carica negativa) presenti negli orbitali (zone in cui, con il 90% di probabilità, è possibile trovare un elettrone) s, p, d ed f.

Basandosi su queste caratteristiche e grazie alla scoperta di nuovi elementi, si è giunti alla Tavola Periodica da noi oggi conosciuta e organizzata, come quella del chimico russo, in righe chiamate Periodi (letti da sinistra verso destra), colonne chiamate Gruppi (letti dall’alto verso il basso) e Blocchi:

• Periodi; sono 7 e gli elementi che appartengono ad uno stesso periodo hanno la caratteristica comune di avere gli elettroni più esterni nello stesso orbitale. Inoltre, aumentando il loro numero atomico, gli elettroni si aggiungono allo stesso livello di energia, cambiando però le proprietà chimico-fisiche dell’elemento.

• Gruppi; sono 18 e gli elementi appartenenti allo stesso gruppo hanno una configurazione elettronica simile, con lo stesso numero di elettroni nell’orbitale più esterno. Hanno caratteristiche chimico-fisiche affini e si distinguono in gruppi A (elementi principali, situati ai lati della tavola) e gruppi B (elementi di transizione, situati al centro della tavola).

• Blocchi; sono regioni diverse della tavola determinati in base al tipo di orbitale in cui si trova l’ultimo elettrone di ciascun elemento: 

-blocco s, comprende i primi due gruppi (metalli alcalini e metalli alcalino-terrosi più l’idrogeno e l’elio). L’ultimo elettrone risiede nell’orbitale di tipo s più esterno; 

-blocco p, comprende gli ultimi sei gruppi (13-18) e include tutti i metalloidi (o semimetalli). L’ultimo elettrone si trova nell’orbitale p più esterno; 

-blocco d, comprende i gruppi centrali (3-12), ossia i metalli di transizione, dove l’ultimo elettrone occupa l’orbitale d più esterno; 

-infine, il blocco f, comprende lantanidi e attinidi, solitamente collocati sotto la tavola per questioni di praticità. L’ultimo elettrone si trova nell’orbitale di tipo f più esterno, che rappresenta anche gli ultimi orbitali disponibili.

Oltre alla suddivisione degli elementi in base alle loro caratteristiche chimico-fisiche, ogni elemento della Tavola Periodica presenta una propria scheda descrittiva, che contiene: 

• Simbolo chimico, abbreviazione composta dalla prima o dalle prime due lettere del nome dell’elemento;

• Nome dell’elemento;

• Numero atomico, Z;

• Peso atomico, la massa media degli atomi;

• Proprietà periodiche: a seconda della tavola consultata, possono essere indicate alcune o tutte le proprietà periodiche dell’elemento.

Le proprietà periodiche sono caratteristiche di ogni elemento e vengono chiamate “periodiche” poiché variano in modo regolare (quindi periodico) lungo la Tavola. Queste sono:

• Configurazione elettronica, descrive il modo in cui gli elettroni sono distribuiti negli orbitali ed è fondamentale poiché la posizione dell’elettrone più esterno determina alcune proprietà chimiche dell’elemento. Lo studio di questa proprietà ha portato alla formulazione di princìpi importanti, come quello di Aufbau (gli elettroni occupano gli orbitali in ordine crescente di energia, da s a f) o di Pauli (ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni, con spin opposti), oppure la regola di Hund (quando si riempiono determinati orbitali dello stesso tipo, prima viene inserito un elettrone in ciascun orbitale, e solo successivamente si completano con un secondo elettrone con spin opposto, per garantire maggiore stabilità).

• Raggio atomico, indica le dimensioni di un atomo, cioè metà della distanza fra due atomi in contatto. Questa proprietà tende a diminuire in un periodo (poiché l’aumento del numero di protoni nel nucleo aumenta l’attrazione tra nucleo ed elettroni) e ad aumentare in un gruppo (poiché gli elettroni occupano livelli energetici sempre più esterni).

• Energia di prima ionizzazione, è la quantità minima di energia che serve per rimuovere l’elettrone con il legame più debole da un atomo allo stato gassoso. Essa tende ad aumentare in un periodo (gli atomi più piccoli attraggono gli elettroni con forza maggiore) e a diminuire in un gruppo (l’elettrone più esterno si trova lontano dal nucleo e di conseguenza richiede meno energia per essere rimosso).

• Affinità elettronica, è l’energia rilasciata da un atomo allo stato gassoso quando acquisisce un elettrone. Aumenta in un periodo (gli atomi con il guscio esterno quasi completo tendono ad “accettare” un elettrone proveniente da un altro atomo). Diminuisce in un gruppo (per lo stesso motivo dell’energia di prima ionizzazione).

• Elettronegatività, è la tendenza di un atomo ad attrarre a sé un elettrone durantela formazione di legame chimico. Essa tende ad aumentare in un periodo (a causa dell’aumento della carica nucleare e della conseguente forza di attrazione) e a diminuire in un gruppo (aumentando il raggio atomico, gli elettroni sono più lontani dal nucleo e di conseguenza la forza di attrazione è minore).

• Stato fisico, anche se non è definito come una proprietà periodica, è un aspetto fondamentale per comprendere la natura degli elementi. Si suddivide in tre tipologie: stato solido (la maggior parte degli elementi, siano essi metalli, semimetalli o non metalli); stato liquido (comprende solo due elementi, il mercurio e il bromo); stato gassoso/aeriforme (include principalmente gli elementi situati nell’angolo in alto a destra della Tavola Periodica, ovvero i gas nobili e i metalli “leggeri”).

La Tavola Periodica è uno strumento fondamentale utilizzato da chimici e scienziati di tutto il mondo, ma ha sollevato anche qualche dubbio: esistendo diverse rappresentazioni della Tavola, ci si chiede se l’ordine e le proprietà osservate siano universali o soltanto un’interpretazione umana della realtà. Una visione assoluta non è ancora stata scoperta, tuttavia la Tavola rimane indispensabile per lo studio e per l’analisi di ciò che ci circonda, nonostante le varie forme che evidenziano diversi aspetti e proprietà. E, come affermò, Dmitri Mendeleev: "Non ho bisogno di prove. Le leggi della natura, a differenza delle leggi della grammatica, non ammettono eccezioni."

Il Paradosso di Fermi

Raffaele Pio Fiumara 4ALS

Una delle domande più frequenti che ci poniamo, soprattutto quando alziamo gli occhi al cielo e osserviamo la profondità dell’universo, è: siamo davvero soli oppure esiste qualche altra civiltà di cui non siamo ancora a conoscenza? A questa domanda molti studiosi hanno provato a dare una risposta, anche se al momento può essere solo di natura teorica. Tra questi studiosi spicca sicuramente la figura di Enrico Fermi, che si chiede come sia possibile che, in un universo che pullula di vita, l’unica civiltà esistente sia la nostra. È però necessario analizzare attentamente il presupposto iniziale del quesito, ovvero l’idea di un universo che pullula di vita; infatti sappiamo che solo nella Via Lattea le stelle sono circa 400 miliardi e che le galassie nell’Universo sono migliaia di miliardi. I pianeti esistono in una quantità tale da poter essere quasi considerata infinita. Tuttavia, analizzandoli più attentamente, ci rendiamo conto che quelli rocciosi (come la Terra) rappresentano solo una percentuale di essi, che quelli situati nella fascia di abitabilità sono ancora meno e che quelli orbitanti attorno a stelle “tranquille” sono meno ancora. I dati raccolti da Kepler, il telescopio spaziale dedicato alla ricerca di esopianeti (pianeti che potrebbero ospitare la vita), indicano che appena il 2% di essi potrebbe somigliare alla Terra. Di conseguenza, è necessario considerare in quanti di questi pianeti la vita riesca effettivamente a svilupparsi e quanti possiedano capacità di comunicazione tali da potersi far riconoscere. Una delle possibili risposte a questo paradosso è rappresentata dalla teoria del Grande Filtro: ogni civiltà deve affrontare un ostacolo che funge da filtro evolutivo e che, se non superato, può impedire il pieno sviluppo della civiltà e, di conseguenza, la sua capacità di comunicare. La domanda che nasce spontanea da questa teoria è: noi abbiamo già superato questo ostacolo evolutivo? Le risposte sono molteplici, poiché la Terra ha attraversato nel corso della sua storia periodi di grande difficoltà, alcuni dei quali hanno incluso estinzioni di massa. Tuttavia, altri studiosi sostengono che il Grande Filtro debba ancora arrivare, oppure che lo stiamo vivendo proprio ai giorni nostri, a causa del cambiamento climatico o dell’incapacità di gestire le nuove tecnologie militari. Un’altra teoria è quella della Foresta Oscura, formulata da Liu Cixin, che descrive le civiltà come cacciatori all’interno di una foresta: ciascuno è consapevole della presenza degli altri e, per questo motivo, rimane in silenzio. A livello planetario, questa metafora si traduce nell’idea che il silenzio delle civiltà aliene sia una scelta di prudenza: esse evitano di farsi notare per scongiurare potenziali minacce o conflitti. Nonostante i numerosi tentativi di fornire una risposta a questa domanda attraverso teorie che possono apparire surreali o mediante paragoni legati anche alla NOSTRA realtà, una risposta certa potrà essere data solo nel momento in cui entreremo realmente in contatto con una civiltà extraterrestre. Solo allora sarà possibile ottenere informazioni sui loro stili di vita e sulle loro conoscenze. Fino a quando ciò non accadrà, una delle domande più frequenti che continueremo a porci rimarrà quella formulata da Fermi: dove sono tutti?