Il sistema periodico

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1 Tra il 1869 e il 1871 uno scienziato russo di nome D. Mendeleev in seguito ad un lavoro scientifico sistematico raggiunse un risultato sorprendente: gli elementi disposti secondo i pesi atomici crescenti mostrano proprietà chimiche e fisiche che si ripetono a intervalli regolari cioè mostrano proprietà PERIODICHE

2 Cominciò con l idrogeno e aggiunse di seguito gli elementi via via più pesanti H 1 Li 7 Be 9 B 11 C 12 N 14 O 16 F 19 Avrebbe dovuto proseguire con il sodio, ma poiché il sodio ha proprietà simili a quelle del litio lo collocò sotto il litio cominciando così una nuova riga che concluse con il cloro che ha le stesse proprietà del fluoro H Li Be B C N O F Na 23 Mg 24 Al 27 Si 28 P 31 S 32 Cl 35 In questo modo ogni elemento della seconda riga ha le stesse proprietà del corrispondente elemento della prima riga

3 Mendeleev seguendo sempre la regola dei pesi atomici crescenti e incolonnando elementi con proprietà simili costruì la prima tavola periodica degli elementi H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca?? As Se Br Rb Sr In Sn Sb Te I Sistemando gli elementi seguendo le regole viste nella diapositiva precedente, lasciò delle caselle vuote prevedendo la collocazione in quelle caselle di elementi non ancora noti. Mendeleev era talmente convinto della validità del suo lavoro che scrisse «OGNI LEGGE NATURALE ACQUISTA PARTICOLARE SIGNIFICATO SCIENTIFICO QUANDO DA ESSA E POSSIBILE RICAVARE CONSEGUENZE PRATICHE, CIOE CONSEGUENZE LOGICHE CHE SPIEGANO CIO CHE ANCORA NON E STATO SPIEGATO E INDICANO FENOMENI PRIMA DI ALLORA IGNOTI, E SOPRATTUTTO QUANDO ESSA DA LA POSSIBILITA DI AVANZARE PREVISIONI CONTROLLABILI CON L ESPERIENZA»

4 Nella attuale tavola periodica gli elementi sono ordinati secondo il loro numero atomico crescente: ogni casella è individuata da un numero che corrisponde al numero atomico Z dell elemento che occupa tale casella

5 c è una relazione tra la forma della tavola periodica e la struttura elettronica degli atomi Blocco s Blocco d Blocco p Blocco f Lo schema a fianco mette in evidenza che la tavola periodica può essere suddivisa in quattro blocchi: a sinistra vi è un blocco con due colonne di elementi, a destra un blocco con sei colonne, al centro uno con dieci colonne e sotto la tavola vi è un blocco di quattordici colonne. I numeri, 2, 6, 10 e 14, corrispondono esattamente al numero di elettroni necessari per completare rispettivamente i sottogusci s, p, d e f.

6 Ogni colonna si chiama gruppo Ogni gruppo è caratterizzato da un numero Gli elementi dei due gruppi del blocco s (1, 2) hanno gli elettroni più esterni nel sottoguscio s, gli elementi dei sei gruppi del blocco p (13, 14, 15, 16, 17, 18) hanno gli elettroni esterni in sottogusci p, gli elementi dei dieci gruppi del blocco d (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) hanno gli elettroni esterni in sottogusci d, gli elementi dei gruppi del blocco f hanno gli elettroni esterni in sottogusci f. Ogni riga orizzontale si chiama periodo I periodi sono sette e sono numerati Gli elementi che appartengono ad uno stesso periodo hanno gli elettroni esterni nel guscio energetico avente un valore di n uguale al numero del periodo di appartenenza, ciò sta a significare che tutti i gusci energetici inferiori sono completi. Una corretta lettura della tavola periodica consente di ricavare la struttura elettronica di qualsiasi atomo. Es: scrivere la configurazione elettronica del Silicio Il silicio appartiene al periodo 3 (atomi che hanno gli elettroni esterni nel terzo guscio energetico) e al gruppo 14 (atomi che hanno 2 elettroni esterni in sottogusci p) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Questa è la configurazione del neon, l elemento che chiude il secondo periodo Quindi si può scrivere la configurazione nel seguente modo [Ne] 3s 2 3p 2 Si può scrivere il simbolo dell elemento che chiude il periodo precedente e scrivere quindi la configurazione elettronica esterna

7 Tutti gli elementi fino all uranio Z = 92 sono presenti in natura per lo più sotto forma di composti, gli elementi dal nettunio Z = 93 in poi sono artificiali ossia sono stati preparati in laboratorio tramite reazioni nucleari La linea di demarcazione divide i metalli dai non metalli: gli elementi a sinistra sono metalli, gli elementi a destra non metalli e gli elementi vicini alla linea semimetalli

8 I metalli hanno colori diversi, a temperatura ambiente sono solidi tranne il mercurio che è liquido, sono lucenti, conducono il calore, conducono la corrente elettrica, sono duttili (possono essere ridotti in fili sottili) e sono malleabili ( possono essere ridotti in lamine sottili) I non metalli a temperatura ambiente si trovano in stati fisici diversi: cinque sono solidi, uno è liquido e gli altri sono gassosi, non possiedono le proprietà tipiche dei metalli. I semimetalli hanno proprietà intermedie tra quelle dei metalli e dei non metalli; proprio perché hanno una conducibilità elettrica intermedia, alcuni semimetalli sono usati come semiconduttori nel campo delle tecnologie elettroniche

9 Alcuni gruppi della tavola periodica prendono dei nomi particolari: Il gruppo 1 è il gruppo dei metalli alcalini. tale nome deriva dal fatto che reagiscono facilmente con l acqua formando degli idrossidi che hanno proprietà basiche o alcaline. la reazione può essere così schematizzata: Na + H 2 O NaOH + H 2 la reattività di questi metalli aumenta dall alto verso il basso

10 il gruppo 2 è il gruppo dei metalli alcalino terrosi. tranne il berillio anche questi metalli reagiscono con l acqua per formare gli idrossidi es: Mg + 2H 2 O Mg(OH) 2 + H 2 la reattività con l acqua aumenta dall alto verso il basso. si trovano in natura sotto forma di composti diffusi nella crosta terrestre

11 Il gruppo 17 è il gruppo degli alogeni la particella più piccola che li rappresenta è biatomica Il gruppo 18 è il gruppo dei gas nobili o inerti, il termine inerte deriva dalla loro incapacità di formare composti

12 I gruppi dal 3 al 13 formano la famiglia dei metalli di transizione Hanno tutte le caratteristiche dei metalli anche se la loro reattività con l acqua e con l ossigeno è minore di quella dei metalli alcalini e alcalino terrosi. Alcuni di questi elementi come il titanio, il vanadio e il manganese trovano impiego nella preparazione di acciai speciali, altri come il palladio e il platino il rodio sono importanti perché vengono usati nell industria come catalizzatori Questi 14 elementi che vanno dal Z =58 a Z = 71, pur facendo parte dei metalli di transizione, costituiscono la famiglia dei lantanidi, sono teneri duttili malleabili e hanno proprietà ottiche e magnetiche molto interessanti I 14 elementi, facenti parte dei metalli di transizione che costituiscono la famiglia degli attinidi sono radioattivi., gli elementi con numero atomico Z > 92 sono detti transuranici e sono prodotti artificialmente per cui hanno vita breve

13 le proprietà degli elementi dipendono dalla configurazione elettronica esterna variano gradualmente all interno di un periodo ( nel passare da un elemento all altro il numero atomico aumenta di una unità e quindi le proprietà cambiano gradualmente) Sono le stesse all interno di un gruppo. (gli elementi di uno stesso gruppo hanno uguale configurazione elettronica esterna e quindi stesse proprietà) Sono proprietà periodiche il raggio atomico l energia di ionizzazione l affinità elettronica l elettronegatività

14 Gli atomi di uno stesso gruppo sono più grandi procedendo dall alto verso il basso; gli atomi di un dato periodo diventano più piccoli procedendo da sinistra a destra. Per poter comprendere i motivi di questo andamento, dobbiamo considerare due fattori: il guscio energetico a cui appartengono gli elettroni esterni e la forza di attrazione che la carica nucleare efficace esercita sugli elettroni di esterni Procedendo dall alto verso il basso in un gruppo, la carica nucleare efficace sentita dagli elettroni esterni rimane pressoché costante mentre gli elettroni esterni si trovano in gusci energetici sempre più lontani dal nucleo Procedendo da sinistra a destra lungo un periodo, gli elettroni esterni si trovano sempre nello stesso guscio energetico mentre la carica nucleare efficace aumenta di una unità e quindi gli elettroni esterni si avvicinano al nucleo

15 L energia di ionizzazione è l energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo isolato. A + energia A + + e - (A simbolo dell atomo, A + ione positivo o catione) L energia di prima ionizzazione (l energia necessaria per togliere un solo elettrone dall atomo e precisamente un elettrone che si trova nel sottoguscio più esterno) aumenta lungo un periodo e diminuisce lungo un gruppo l energia di prima ionizzazione aumenta lungo un periodo in quanto gli elettroni esterni si trovano sempre nello stesso guscio energetico però risentono di una forza nucleare sempre più alta (il numero atomico e quindi il numero di cariche positive presenti nel nucleo aumenta progressivamente. l energia di prima ionizzazione diminuisce lungo un gruppo in quanto gli elettroni esterni si trovano in gusci energetici sempre più lontani dal nucleo

16 L affinità elettronica L elettronegatività Quando un atomo acquista un elettrone libera energia che si chiama affinità elettronica A + e A + energia (affinità elettronica) A rappresenta il simbolo di un elemento A è il suo ione negativo o anione L elettronegatività di un elemento misura la sua tendenza ad attrarre gli elettroni più esterni di un altro elemento diventando così anione mentre l elemento che cede l elettrone diventa catione L affinità elettronica e l elettronegatività aumentano lungo un periodo e diminuiscono lungo un gruppo..

17 Anche le proprietà chimiche degli elementi variano in modo graduale e periodico. Nella tabella seguente sono riportate le formule dei composti con l ossigeno e con l idrogeno degli elementi del 3 periodo, a esclusione ovviamente del gas nobile Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 Cl 2 O 7 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 NaH MgH 2 AlH 3 SiH 4 PH 2 H 2 S HCl Sotto a ogni formula è riportato il valore del rapporto tra il numero di atomi di ossigeno o di idrogeno e il numero di atomi dell altro elemento. Quando gli elementi di un periodo si combinano con l ossigeno e con l idrogeno, si formano composti le cui formule cambiano seguendo una precisa regolarità. Nelle formule dei composti con l ossigeno il rapporto tra il numero di atomi di ossigeno e il numero di atomi dell altro elemento aumenta in modo regolare: questo indica che lungo il periodo aumenta il numero di atomi di ossigeno che si combina con un atomo dell altro elemento. Nelle formule dei composti con l idrogeno il rapporto il numero di atomi di idrogeno e il numero di atomi dell altro elemento aumenta e poi diminuisce in modo regolare. Questo andamento regolare si riscontra anche negli altri periodi. Se consideriamo gli elementi di ogni gruppo, si ha che essi formano composti con l ossigeno e con l idrogeno caratterizzati da una formula analoga Nella tabella sono riportate le formule dei composti con l ossigeno e con l idrogeno degli elementi del gruppo 14 e del gruppo 15. Le formule analoghe dei composti confermano che gli elementi dello stesso gruppo hanno comportamento chimico simile. Gruppo 14 CO 2 SiO 2 GeO 2 SnO 2 PbO 2 CH 4 SiH 4 GeH 4 SnH 4 PbH 4 Gruppo 15 N 2 O 5 P 2 O 5 As 2 O 5 Sb 2 O 5 Bi 2 O 5 NH 3 PH 3 AsH 3 SbH 3 BilH 3