Chimica Introduttiva – Lezione e Laboratorio

Quando i primi chimici lavorarono per purificare i minerali e scoprirono più elementi, si resero conto che vari elementi potevano essere raggruppati per i loro simili comportamenti chimici. Uno di questi raggruppamenti comprende il litio (Li), il sodio (Na) e il potassio (K): Questi elementi sono tutti brillanti, conducono bene il calore e l’elettricità e hanno proprietà chimiche simili. Un secondo raggruppamento comprende il calcio (Ca), lo stronzio (Sr) e il bario (Ba), che sono anch’essi brillanti, buoni conduttori di calore ed elettricità e hanno proprietà chimiche in comune. Tuttavia, le proprietà specifiche di questi due raggruppamenti sono notevolmente diverse l’una dall’altra. Per esempio: Li, Na e K sono molto più reattivi di Ca, Sr e Ba; Li, Na e K formano composti con l’ossigeno in un rapporto di due dei loro atomi per un atomo di ossigeno, mentre Ca, Sr e Ba formano composti con uno dei loro atomi per un atomo di ossigeno. Anche il fluoro (F), il cloro (Cl), il bromo (Br) e lo iodio (I) mostrano proprietà simili tra loro, ma queste proprietà sono drasticamente diverse da quelle di tutti gli elementi precedenti.

Dimitri Mendeleev in Russia (1869) e Lothar Meyer in Germania (1870) hanno riconosciuto indipendentemente che esisteva una relazione periodica tra le proprietà degli elementi conosciuti a quel tempo. Entrambi pubblicarono delle tabelle con gli elementi disposti secondo una massa atomica crescente. Ma Mendeleev fece un passo avanti rispetto a Meyer: usò la sua tabella per prevedere l’esistenza di elementi che avrebbero avuto proprietà simili all’alluminio e al silicio, ma che erano ancora sconosciuti. Le scoperte del gallio (1875) e del germanio (1886) fornirono un grande supporto al lavoro di Mendeleev. Anche se Mendeleev e Meyer ebbero una lunga disputa sulla priorità, i contributi di Mendeleev allo sviluppo della tavola periodica sono ora più ampiamente riconosciuti (Figura 1).

Figura 1. (a) Dimitri Mendeleev è ampiamente accreditato con la creazione (b) della prima tavola periodica degli elementi. (credito a: modifica del lavoro di Serge Lachinov; credito b: modifica del lavoro di “Den fjättrade ankan”/Wikimedia Commons)

Dal ventesimo secolo, divenne evidente che la relazione periodica coinvolgeva i numeri atomici piuttosto che le masse atomiche. La dichiarazione moderna di questa relazione, la legge periodica, è la seguente: le proprietà degli elementi sono funzioni periodiche dei loro numeri atomici. Una moderna tavola periodica dispone gli elementi in ordine crescente dei loro numeri atomici e raggruppa gli atomi con proprietà simili nella stessa colonna verticale (Figura 2). Ogni casella rappresenta un elemento e contiene il suo numero atomico, il simbolo, la massa atomica media e (a volte) il nome. Gli elementi sono disposti in sette file orizzontali, chiamate periodi o serie, e 18 colonne verticali, chiamate gruppi. I gruppi sono etichettati all’inizio di ogni colonna. Negli Stati Uniti, le etichette erano tradizionalmente numerali con lettere maiuscole. Tuttavia, la IUPAC raccomanda di usare i numeri da 1 a 18, e queste etichette sono più comuni. Affinché la tabella si adatti ad una singola pagina, parti di due delle righe, per un totale di 14 colonne, sono solitamente scritte sotto il corpo principale della tabella.

Figura 2. Gli elementi della tavola periodica sono organizzati in base alle loro proprietà.

Molti elementi differiscono notevolmente nelle loro proprietà chimiche e fisiche, ma alcuni elementi sono simili nei loro comportamenti. Per esempio, molti elementi appaiono lucidi, sono malleabili (in grado di essere deformati senza rompersi) e duttili (possono essere trasformati in fili), e conducono bene il calore e l’elettricità. Altri elementi non sono lucidi, malleabili o duttili, e sono poveri conduttori di calore ed elettricità. Possiamo ordinare gli elementi in grandi classi con proprietà comuni: metalli (elementi che sono lucidi, malleabili, buoni conduttori di calore ed elettricità – colorati in giallo); non metalli (elementi che appaiono opachi, poveri conduttori di calore ed elettricità – colorati in verde); e metalloidi (elementi che conducono moderatamente bene calore ed elettricità, e possiedono alcune proprietà dei metalli e alcune proprietà dei non metalli – colorati in viola).

Gli elementi possono anche essere classificati in elementi del gruppo principale (o elementi rappresentativi) nelle colonne etichettate 1, 2, e 13-18; i metalli di transizione nelle colonne etichettate 3-12; e i metalli di transizione interni nelle due righe in basso della tabella (gli elementi della riga superiore sono chiamati lantanidi e gli elementi della riga inferiore sono attinidi; Figura 3). Gli elementi possono essere ulteriormente suddivisi in base a proprietà più specifiche, come la composizione dei composti che formano. Per esempio, gli elementi del gruppo 1 (la prima colonna) formano composti che consistono in un atomo dell’elemento e un atomo di idrogeno. Questi elementi (tranne l’idrogeno) sono conosciuti come metalli alcalini, e hanno tutti proprietà chimiche simili. Gli elementi del gruppo 2 (la seconda colonna) formano composti costituiti da un atomo dell’elemento e due atomi di idrogeno: Questi sono chiamati metalli alcalini terrosi, con proprietà simili tra i membri di quel gruppo. Altri gruppi con nomi specifici sono i pnictogeni (gruppo 15), i calcogeni (gruppo 16), gli alogeni (gruppo 17) e i gas nobili (gruppo 18, noti anche come gas inerti). I gruppi possono anche essere indicati con il primo elemento del gruppo: Per esempio, i calcogeni possono essere chiamati gruppo dell’ossigeno o famiglia dell’ossigeno. L’idrogeno è un elemento unico, non metallico, con proprietà simili agli elementi del gruppo 1A e del gruppo 7A. Per questa ragione, l’idrogeno può essere mostrato in cima ad entrambi i gruppi, o da solo.

Figura 3. La tavola periodica organizza gli elementi con proprietà simili in gruppi.

In studying the periodic table, potresti aver notato qualcosa riguardo alle masse atomiche di alcuni elementi. L’elemento 43 (tecnezio), l’elemento 61 (promezio), e la maggior parte degli elementi con numero atomico 84 (polonio) e superiori hanno la loro massa atomica indicata tra parentesi quadre. Questo viene fatto per gli elementi che consistono interamente di isotopi instabili e radioattivi (imparerai di più sulla radioattività nel capitolo sulla chimica nucleare). Un peso atomico medio non può essere determinato per questi elementi perché i loro radioisotopi possono variare significativamente in abbondanza relativa, a seconda della fonte, o possono anche non esistere in natura. Il numero tra parentesi quadre è il numero di massa atomica (e la massa atomica approssimativa) dell’isotopo più stabile di quell’elemento.

Glossary

actinide: inner transition metal in the bottom of the bottom two rows of the periodic table

alkali metal: elemento del gruppo 1

metallo delle terre alcaline: elemento del gruppo 2

calcogeno: elemento del gruppo 16

gruppo: colonna verticale della tavola periodica

alogeno: elemento del gruppo 17

gas inerte: (anche, gas nobile) elemento del gruppo 18

metallo di transizione interno: (anche, lantanide o attinide) elemento nelle due file inferiori; se nella prima fila, anche detto lantanide, se nella seconda fila, anche detto attinide

lanthanide: metallo di transizione interno in cima alle due file inferiori della tavola periodica

elemento del gruppo principale: (anche, elemento rappresentativo) elemento nelle colonne 1, 2, e 12-18

metallo: elemento lucido, malleabile, buon conduttore di calore ed elettricità

metalloide: elemento che conduce moderatamente bene il calore e l’elettricità, e possiede alcune proprietà dei metalli e alcune proprietà dei non metalli

gas nobile: (anche, gas inerte) elemento del gruppo 18

non metallo: elemento che appare opaco, scarso conduttore di calore ed elettricità

periodo: (anche, serie) riga orizzontale della tavola periodica

legge periodica: le proprietà degli elementi sono funzione periodica dei loro numeri atomici.

tabella periodica: tavola degli elementi che mette vicini elementi con proprietà chimiche simili

pnettogeno: elemento del gruppo 15

elemento rappresentativo: (anche, elemento del gruppo principale) elemento nelle colonne 1, 2, e 12-18

serie: (anche, periodo) riga orizzontale della tavola dei periodi

metallo di transizione: elemento nelle colonne 3-11