La tavola periodica è la disposizione degli elementi chimici secondo un criterio ben preciso. Nel passato ne sono state fatte diverse secondo le conoscenze dell’epoca ma la più famosa è quella del chimico russo Dmitrij Mendeleev. Lui aveva già capito che le proprietà chimiche degli elementi si ripresentano a intervalli regolari, con una certa periodicità. Sulla base delle successive ricerche, è stata elaborata la tavola periodica attuale.
Ogni simbolo delle tavola periodica rappresenta un elemento chimico, cioè la sostanza più semplice di cui è fatta la materia. Ogni elemento è formato da uno o più atomi che conservano tutte le sue proprietà.
Gli atomi sono formati, da un nucleo che ha una carica elettrica positiva, e da elettroni che si muovono continuamente attorno al nucleo e che hanno carica elettrica negativa. La carica positiva del nucleo è dovuta a delle particelle chiamate protoni e il cui numero varia a seconda dell’elemento. Il numero di elettroni è sempre uguale a quello dei protoni in modo che l’elemento sia elettricamente neutro.
Il numero dei protoni viene chiamato anche numero atomico ed è indicato con il simbolo Z. Ad esempio, l’idrogeno ha un solo protone e quindi Z = 1; l’ossigeno ha 8 protoni e perciò il suo numero atomico è 8. Non esistono due elementi diversi che hanno lo stesso numero atomico.
Com’è organizzata e come leggere la tavola periodica
Innanzitutto, gli elementi sono ordinati secondo il loro numero atomico in maniera crescente. Attualmente sono in tutto 118 e sono disposti dal numero 1 al numero 118.
Guardando la tavola periodica, si può notare che gli elementi sono disposti in righe e colonne e che in molte righe ci sono pochi elementi. Questo è dovuto al fatto che gli atomi sono anche organizzati in base al loro livello energetico.
Gli elettroni non si trovano tutti alla stessa distanza dal nucleo ma tendono ad allontanarvisi man mano che aumentano di numero. Dato che il nucleo tende ad attirare a sé gli elettroni ci vuole molta più energia per trovarsi ad una zona più lontana; ecco perché si parla di livelli energetici. In tutto ci sono 7 livelli di energia e ciascun rigo, chiamato periodo, rappresenta ciascuno di essi. Invece le colonne vengono chiamate gruppi. In questo modo, ciascun elemento ha le sue coordinate chimiche: ad esempio, il carbonio si trova nel 2° periodo, gruppo 14.
Ciascun livello energetico ha anche dei sottolivelli, chiamati orbitali, che rappresentano le zone dove c’è la massima probabilità di trovare gli elettroni. Queste zone hanno forme diverse e ciascuna è indicata da una lettera: s, p, d e f. Quando gli elettroni sono pochi, vengono riempiti soltanto gli orbitali a energia minore. Inoltre, per gli atomi che hanno molti elettroni, lo stesso tipo di orbitale si presenta più volte. La tavola periodica permette anche di capire facilmente quanti orbitali vengono occupati. Per approfondire, si consiglia di leggere l’articolo sulla configurazione elettronica. Nell’immagine che segue ci si può fare un’idea di quale orbitale più esterno viene riempito da ciascun elemento. Nei libri di chimica e di fisica la tavola degli elementi viene colorata tenendo conto di questo.
Famiglie chimiche e periodicità nella tavola degli elementi
In base alle loro proprietà fisiche gli elementi si possono classificare in metalli, non-metalli e semimetalli. Inoltre, si possono presentare a temperatura ambiente sotto forma di solidi, liquidi o gas. Guardando la tavola periodica colorata in basso, si può notare che gli elementi che hanno completato o stanno per completare il loro livello energetico più esterno non sono metalli. Questo perché gli atomi non hanno più elettroni da condividere con altri e non conducono elettricità.
Vedi anche: I tipi di materiali
Gli insiemi degli elementi che hanno proprietà chimiche simili vengono chiamati famiglie chimiche. Sono elementi che appartengono allo stesso gruppo o che condividono lo stesso tipo di orbitali al livello più esterno. Questi sono:
- I metalli alcalini appartengono al gruppo 1, eccetto l’idrogeno.
- I metalli alcalino-terrosi fanno parte del gruppo 2.
- I metalli di transizione sono gli elementi che corrispondono al blocco degli orbitali d della tavola periodica.
- Gli alogeni che appartengono al gruppo 17. Hanno in comune che completano al loro livello energetico più esterno 7 orbitali, 2 di tipo s e 5 di tipo p. Sono costituiti da molecole biatomiche, cioè sostanze formate da due atomi uguali.
- I gas nobili appartengono al gruppo 18, hanno riempito tutti i loro orbitali e pertanto non reagiscono con altri elementi. Vengono per questo motivo chiamati anche gas inerti.
- I lantanidi corrispondono agli elementi degli orbitali 4f e sono stati scoperti tra il 1803 e il 1945.
- Gli attinidi sono gli elementi degli orbitali 5f e la loro caratteristica principale è di essere radioattivi.
Passiamo infine alle proprietà periodiche. Le proprietà chimiche degli elementi tendono a cambiare man mano che i loro elettroni completano il loro livello energetico più esterno ma si ripresentano appena il primo elettrone occupa l’orbitale s del livello successivo.
Così la distanza tra gli elettroni di uno stesso livello energetico e il nucleo degli elementi (il raggio atomico) si riduce man mano che aumentano i protoni e la carica positiva del nucleo. Infatti questo fa aumentare la forza di attrazione tra il nucleo e i singoli elettroni e fa ridurre la loro distanza. Ma quando un elettrone passa al livello energetico successivo, questi si trova ad una distanza maggiore dal nucleo e il raggio atomico aumenta.
Ad esempio, nel 2° periodo il litio (Li) ha il raggio atomico maggiore e tende a diminuire fino al Neon (Ne), che completa il livello energetico. Ma andando al primo elemento del 3° periodo della tavola periodica, il sodio (Na), il raggio atomico aumenta perché un elettrone viene a trovarsi ad un livello più esterno. Gli elementi successivi al sodio che si trovano nello stesso periodo, avendo una carica positiva maggiore, riducono il loro raggio atomico.
Un’altra proprietà periodica è l’energia di prima ionizzazione (Ei’) definita come l’energia necessaria per strappare ad un atomo l’elettrone che si trova al livello più esterno. Ovviamente, più lontano l’elettrone si trova dal nucleo, minore è la forza di attrazione e minore sarà l’energia necessaria per toglierlo. Lo stesso discorso vale per l’affinità elettronica, cioè l’energia necessaria ad un atomo per acquisire un elettrone. Più lontano si trova l’elettrone, minore è la forza di attrazione e maggiore sforzo dovrà fare l’atomo.
