Tavola periodica degli elementi: storia, struttura, elementi

La tavola periodica degli elementi è uno strumento che consente di consultare le proprietà chimiche dei 118 elementi conosciuti fino ad ora. È essenziale quando si eseguono calcoli stechiometrici, per predire le proprietà fisiche di un elemento, per classificarlo e per trovare proprietà periodiche tra tutti loro.

Gli atomi diventano più pesanti quando i loro nuclei aggiungono protoni e neutroni, che devono anche essere accompagnati da nuovi elettroni; in caso contrario, l'elettroneutralità non sarebbe possibile. Quindi, alcuni atomi sono molto leggeri, come l'idrogeno, e altri, superpesanti, come l'oganoson.

A chi è dovuto un tale cuore in chimica? Allo scienziato Dmitri Mendeléev, che nel 1869 (quasi 150 anni fa) pubblicò, dopo un decennio di studi e esperimenti teorici, la prima tavola periodica nel tentativo di organizzare i 62 elementi conosciuti all'epoca.

Per questo, Mendeléyev era basato su proprietà chimiche, mentre in parallelo Lothar Meyer pubblicò un'altra tavola periodica che era organizzata secondo le proprietà fisiche degli elementi.

Inizialmente, la tabella conteneva "spazi vuoti", i cui elementi non erano stati conosciuti per quegli anni. Tuttavia, Mendeléyev è stato in grado di prevedere con precisione apprezzabile molte delle sue proprietà. Alcuni di questi elementi erano: germanio (che chiamò eka-silicio) e gallio (eka-alluminio).

Le prime tabelle periodiche ordinavano gli elementi in base alle loro masse atomiche. Questa disposizione ha permesso di intravedere alcune periodicità (ripetizione e similarità) nelle proprietà chimiche degli elementi; tuttavia, gli elementi di transizione non erano d'accordo con questo ordine, né con i gas nobili.

Per questo motivo, era necessario ordinare gli elementi considerando il numero atomico (numero di protoni), invece della massa atomica. Da qui, insieme al duro lavoro e ai contributi di molti autori, la tavola periodica di Mendeléyev è stata perfezionata e completata.

Storia della tavola periodica

elementi

L'uso di elementi come base per descrivere l'ambiente (più precisamente, per la natura) è stato usato fin dall'antichità. Tuttavia, a quel tempo erano indicati come le fasi e gli stati della materia, e non il modo in cui si fa riferimento al Medioevo.

Gli antichi greci credevano che il pianeta che abitavamo fosse costituito dai quattro elementi fondamentali: fier, ti erra, gua e aire.

D'altra parte, nell'antica Cina il numero di elementi era cinque e, a differenza dei greci, escludevano l'aria e includevano metallo e legno.

La prima scoperta scientifica fu fatta nel 1669 dal marchio tedesco Henning, che scoprì il fosforo; da quella data sono stati registrati tutti gli elementi successivi.

Vale la pena ricordare che alcuni elementi come oro e rame erano già noti prima del fosforo; la differenza è che non sono mai stati registrati.

simbologia

Gli alchimisti (i predecessori degli attuali chimici) diedero nomi agli elementi in relazione alle costellazioni, ai loro scopritori e ai luoghi in cui furono scoperti.

Nell'anno 1808 Dalton propose una serie di disegni (simboli) per rappresentare gli elementi. Quindi, questo sistema di notazione è stato sostituito da quello di Jhon Berzelius (usato fino alla data attuale), dal momento che il modello di Dalton è diventato più complicato con l'apparizione di nuovi elementi.

Evoluzione dello schema

I primi tentativi di creare una mappa che organizzasse l'informazione di elementi chimici avvenne nel diciannovesimo secolo con la Triade di Döbereiner (1817).

Nel corso degli anni sono stati trovati nuovi elementi, dando vita a nuovi modelli organizzativi fino a raggiungere quello attualmente utilizzato.

Chancurtois telluric screw (1862)

Alexandré-Émile Béguyer de Chancourtois ha progettato un'elica di carta dove ha mostrato una grafica a spirale (vite tellurica).

In questo sistema gli elementi sono ordinati in modo crescente rispetto ai loro pesi atomici. Elementi simili sono allineati verticalmente.

Octaves of Newlands (1865)

Continuando con il lavoro di Döbereiner, il britannico John Alexander Queen Newlands ordinò gli elementi chimici in ordine crescente riguardo ai pesi atomici, notando che ogni sette elementi aveva somiglianze nelle loro proprietà (l'idrogeno non è incluso).

Tavolo di Mendeléyv (1869)

Mendeléyv ordinò gli elementi chimici in ordine crescente rispetto al peso atomico, collocando nella stessa colonna quelli le cui proprietà erano simili. Di cavità nel suo modello di tavola periodica che prevedono la comparsa di nuovi elementi nel futuro (oltre a prevedere le proprietà che dovrebbero avere).

I gas nobili non sono elencati nel tavolo di Mendeléyv, dal momento che non erano ancora stati scoperti. Inoltre, Mendeléiv non considerava l'idrogeno.

Tavola periodica di Moseley (tavola periodica corrente) - 1913

Henry Gwyn Jeffreys Moseley propose di ordinare gli elementi chimici della tavola periodica in base al loro numero atomico; cioè, secondo il loro numero di protoni.

Moseley enunciò la "Legge periodica" nel 1913: "Quando gli elementi sono messi in ordine del loro numero atomico, le loro proprietà fisiche e chimiche mostrano tendenze periodiche".

Pertanto, ogni riga o periodo orizzontale mostra un tipo di relazione e ogni colonna o gruppo ne mostra un altro.

Come è organizzato? (Struttura e organizzazione)

Si può osservare che la torta della tavola periodica ha diversi colori. Ogni colore associa elementi con proprietà chimiche simili. Ci sono colonne arancioni, gialle, blu, viola; quadrati verdi e una diagonale verde mela.

Si noti che i quadrati nelle colonne centrali sono di colore grigiastro, quindi tutti questi elementi devono avere qualcosa in comune, ovvero che sono metalli di transizione con orbitali mezzo pieno.

Allo stesso modo, gli elementi dei quadrati viola, sebbene passino da sostanze gassose, da un liquido rossastro e persino nero solido (iodio) e argento grigiastro (astato), sono le loro proprietà chimiche che li rendono congeneri. Queste proprietà sono governate dalle strutture elettroniche dei loro atomi.

L'organizzazione e la struttura della tavola periodica non è arbitraria, ma obbedisce a una serie di proprietà periodiche e modelli di valori determinati per gli elementi. Ad esempio, se il carattere metallico diminuisce da sinistra a destra del tavolo, non è possibile prevedere un elemento metallico nell'angolo in alto a destra.

periodi

Gli elementi sono disposti in file o periodi a seconda del livello di energia dei loro orbitali. Prima del 4 ° periodo, quando gli elementi erano riusciti nell'ordine crescente della massa atomica, si scoprì che per ogni otto di essi si ripetevano le proprietà chimiche (legge delle ottave, John Newlands).

I metalli di transizione sono stati incorporati con altri elementi non metallici, come lo zolfo e il fosforo. Per questo motivo, l'ingresso della fisica quantistica e quello delle configurazioni elettroniche per la comprensione delle moderne tavole periodiche era vitale.

Gli orbitali di uno strato energetico sono pieni di elettroni (e nuclei di protoni e neutroni), mentre si muove lungo un periodo. Questo strato energetico va di pari passo con la dimensione o il raggio atomico; quindi, gli elementi dei periodi più alti sono più piccoli di quelli che sono sotto.

H e He sono nel primo livello di energia (periodo); la prima fila di quadrati grigi, nel quarto periodo; e la fila di quadrati arancioni, nel sesto periodo. Si noti che sebbene quest'ultimo sembra essere nel presunto nono periodo, in realtà appartiene al sesto, subito dopo il quadrato giallo di Ba.

gruppi

Passando attraverso un periodo scopriamo che la massa, il numero di protoni ed elettroni aumenta. Nella stessa colonna o gruppo, anche se la massa e i protoni variano, il numero di elettroni nel guscio di valenza è lo stesso.

Ad esempio, nella prima colonna o gruppo, l'H ha un singolo elettrone nell'orbitale 1s1, così come il Li (2s1), il sodio (3s1), il potassio (4s1) e così via fino al francio (7s1). Quel numero 1 denota che questi elementi possiedono a malapena un elettrone di valenza e, pertanto, appartengono al gruppo 1 (IA). Ogni elemento è in periodi diversi.

Senza contare l'idrogeno, la scatola verde, gli elementi sotto di esso sono scatole arancioni e sono chiamati metalli alcalini. Un altro riquadro a destra in qualsiasi periodo, è il gruppo o la colonna 2; cioè, i suoi elementi hanno due elettroni di valenza.

Ma spostando un gradino più a destra, senza la conoscenza degli orbitali d, si arriva al gruppo boro (B) o al gruppo 13 (IIIA); invece del gruppo 3 (IIIB) o scandio (Sc). Prendendo in considerazione il riempimento degli orbitali d, i periodi dei quadrati grigi cominciano ad essere attraversati: i metalli di transizione.

Numeri di protoni vs elettroni di valenza

Quando si studia la tavola periodica può sorgere una confusione tra il numero atomico Z o il numero di protoni totali nel nucleo e la quantità di elettroni di valenza. Ad esempio, il carbonio ha una Z = 6, cioè ha sei protoni e quindi sei elettroni (altrimenti non potrebbe essere un atomo con una carica neutra).

Ma, di quei sei elettroni, quattro sono valenza . Per questo motivo la sua configurazione elettronica è [He] 2s22p2. [He] denota i due elettroni 1s2 dello strato chiuso e teoricamente non partecipano alla formazione di legami chimici.

Inoltre, poiché il carbonio ha quattro elettroni di valenza, "convenientemente" si trova nel gruppo 14 (IVA) della tavola periodica.

Gli elementi al di sotto del carbonio (Si, Ge, Sn, Pb e Fl) hanno numeri atomici più alti (e masse atomiche); ma tutti hanno in comune i quattro elettroni di valenza. Questa è la chiave per capire perché un elemento appartiene a un gruppo e non a un altro.

Elementi della tavola periodica

Block s

Come appena spiegato, i gruppi 1 e 2 sono caratterizzati dall'avere uno o due elettroni negli orbitali s. Questi orbitali sono di geometria sferica e mentre discendi attraverso uno di questi gruppi, gli elementi acquisiscono strati che aumentano le dimensioni dei loro atomi.

Presentando forti tendenze nelle loro proprietà chimiche e modi di reagire, questi elementi sono organizzati come il blocco s. Pertanto, metalli alcalini e metalli alcalino-terrosi appartengono a questo blocco. La configurazione elettronica degli elementi di questo blocco è ns (1s, 2s, ecc.).

Sebbene l'elemento dell'elio sia nell'angolo in alto a destra della tabella, la sua configurazione elettronica è 1s2 e quindi appartiene a questo blocco.

Blocco p

A differenza dei blocchi s, gli elementi di questo blocco hanno orbitali completamente pieni, mentre i loro orbitali p continuano a riempirsi di elettroni. Le configurazioni elettroniche degli elementi appartenenti a questo blocco sono di tipo ns2np1-6 (gli orbitali p possono avere uno o fino a sei elettroni da riempire).

Quindi, in quale parte della tavola periodica si trova questo blocco? A destra: i quadrati verdi, viola e blu; cioè, elementi non metallici e metalli pesanti, come il bismuto (Bi) e il piombo (Pb).

A partire dal boro, con la configurazione elettronica ns2np1, il carbonio alla sua destra aggiunge un altro elettrone: 2s22p2. Successivamente, le configurazioni elettroniche degli altri elementi del periodo 2 del blocco p sono: 2s22p3 (azoto), 2s22p4 (ossigeno), 2s22p5 (fluoro) e 2s22p6 (neon).

Se si scende ai periodi inferiori, si avrà il livello di energia 3: 3s23p1-6, e così via fino alla fine del blocco p.

Si noti che la cosa più importante di questo blocco è che, dal periodo 4, i suoi elementi hanno orbitali completamente riempiti (caselle blu sulla destra). In breve: il blocco s si trova a sinistra della tabella periodica e il blocco p a destra.

Elementi rappresentativi

Quali sono gli elementi rappresentativi? Sono quelli che da un lato perdono facilmente gli elettroni, o dall'altro, li ottengono per completare l'ottetto di valenza. In altre parole: sono gli elementi dei blocchi s e p.

I loro gruppi erano distinti dagli altri da una lettera A alla fine. Quindi, c'erano otto gruppi: dalla IA alla VIIIA. Ma attualmente, il sistema di numerazione utilizzato nelle moderne tavole periodiche è arabo, da 1 a 18, inclusi i metalli di transizione.

Per questo motivo il gruppo di boro può essere l'IIIA o 13 (3 + 10); il gruppo di carbonio, IVA o 14; e quello dei gas nobili, l'ultimo a destra del tavolo, VIIIA o 18.

Metalli di transizione

I metalli di transizione sono tutti gli elementi dei quadrati grigi. Durante i loro periodi, riempiono i loro orbitali d, che sono cinque e possono quindi avere dieci elettroni. Dato che devono avere dieci elettroni per riempire tali orbitali, allora ci devono essere dieci gruppi o colonne.

Ciascuno di questi gruppi nel vecchio sistema di numerazione era designato con numeri romani e una lettera B alla fine. Il primo gruppo, quello di scandio, era IIIB (3), ferro, cobalto e nichel VIIIB per avere reattività molto simili (8, 9 e 10) e zinco IIB (12).

Come si può vedere, è molto più facile riconoscere i gruppi con numeri arabi che usando numeri romani.

Metalli di transizione interni

Dal periodo 6 della tavola periodica, gli orbitali f cominciano a essere disponibili energeticamente. Questi devono essere riempiti prima degli orbitali d; e quindi, i suoi elementi sono di solito posizionati separatamente per non allungare troppo il tavolo.

Gli ultimi due periodi, arancione e grigio, sono i metalli di transizione interni, chiamati anche lantanidi (terre rare) e attinidi. Ci sono sette orbitali f, che hanno bisogno di quattordici elettroni da riempire, e quindi, ci devono essere quattordici gruppi.

Se questi gruppi vengono aggiunti alla tavola periodica, ci saranno 32 in totale (18 + 14) e ci sarà una versione "allungata":

La fila rosa chiaro corrisponde ai lantanoidi, mentre la fila rosa scuro corrisponde agli attinoidi. Il lantanio, La con Z = 57, attinio, Ac con Z = 89, e tutti i blocchi f appartengono allo stesso gruppo di scandio. Perché? Perché lo scandio ha un orbitale nd1, che è presente nel resto dei lantanoidi e degli actinoidi.

La e l'Ac hanno configurazioni di valenza 5d16s2 e 6d17s2. Mentre si sposta verso destra attraverso entrambe le file, gli orbitali 4f e 5f iniziano a riempirsi. Una volta pieno, raggiungi gli elementi Lutecio, Lu e Laurencio, Lr.

Metalli e non metalli

Lasciando dietro la torta della tavola periodica, è più conveniente ricorrere a quella dell'immagine superiore, anche nella sua forma allungata. Al momento la stragrande maggioranza degli elementi citati sono stati metalli.

A temperatura ambiente, tutti i metalli sono sostanze solide (tranne il mercurio, che è liquido) argento grigiastro (eccetto rame e oro). Inoltre, sono solitamente dure e luminose; anche se quelli nel blocco sono morbidi e fragili. Questi elementi sono caratterizzati dalla loro capacità di perdere elettroni e formare cationi M +.

Nel caso dei lantanoidi, perdono i tre elettroni 5d16s2 per diventare cationi trivalenti M3 + (come La3 +). Il cerio, d'altra parte, è in grado di perdere quattro elettroni (Ce4 +).

D'altra parte, elementi non metallici costituiscono la parte più piccola della tavola periodica. Sono gas o solidi con atomi legati covalentemente (come zolfo e fosforo). Tutti si trovano nel blocco p; più precisamente, nella parte superiore di quest'ultimo, quindi scendendo ai periodi inferiori aumenta il carattere metallico (Bi, Pb, Po).

Inoltre, i non-metalli invece di perdere gli elettroni, li vince. Quindi, formano X-anioni con differenti cariche negative: -1 per alogeni (gruppo 17) e -2 per calcogeni (gruppo 16, quello di ossigeno).

Famiglie di metalli

All'interno dei metalli esiste una classificazione interna per differenziarli tra loro:

-I metalli del gruppo 1 sono alcalini

-Gruppo 2, metalli alcalino-terrosi (Mr. Becambara)

-Gruppo 3 (IIIB) famiglia scandio. Questa famiglia è conformata dallo scandio, la testa del gruppo, dell'ittrio Y, del lantanio, l'attinio e tutti i lantanoidi e gli actinoidi.

-Gruppo 4 (IVB), famiglia di titanio: Ti, Zr (zirconio), Hf (afnio) e Rf (rutherfordio). Quanti elettroni di valenza hanno? La risposta è nel tuo gruppo.

-Gruppo 5 (VB), famiglia di vanadio. Gruppo 6 (VIB), famiglia di cromo. E così via fino alla famiglia dello zinco, gruppo 12 (IIB).

simile a metallo

Il carattere metallico aumenta da destra a sinistra e dall'alto verso il basso. Ma qual è il confine tra questi due tipi di elementi chimici? Questo confine è composto da elementi noti come metalloidi, che hanno caratteristiche sia di metalli che di non metalli.

I metalloidi possono essere visti nella tavola periodica nella "scala" che inizia con il boro e termina con l'elemento radioattivo astato. Questi elementi sono:

-B: boro

-Silicio: Sì

-Gio: germanio

-As: arsenico

-Sb: antimonio

-Te: tellurio

-At: astato

Ognuno di questi sette elementi presenta proprietà intermedie, che variano a seconda dell'ambiente chimico o della temperatura. Una di queste proprietà è la semiconduzione, cioè i metalloidi sono semiconduttori.

gas

In condizioni terrestri, gli elementi gassosi sono quei metalli non leggeri, come azoto, ossigeno e fluoro. Inoltre, cloro, idrogeno e gas nobili rientrano in questa classificazione. Di tutti loro, i più emblematici sono i gas nobili, a causa della loro bassa tendenza a reagire e comportarsi come atomi liberi.

Quest'ultimo è nel gruppo 18 della tavola periodica e sono:

-Helio, lui

-Neon, Ne

-Argon, Ar

-Krypton, Kr

-Xenon, Xe

-Radón, Rn

-E il più recente di tutti, il gas sintetico nobile oganneson, Og.

Tutti i gas nobili hanno in comune la configurazione di valenza ns2np6; cioè, hanno completato l'ottetto di valenza.

Stati di aggregazione degli elementi ad altre temperature

Gli elementi sono allo stato solido, liquido o gassoso a seconda della temperatura e della forza delle loro interazioni. Se la temperatura della Terra dovesse raffreddarsi fino a raggiungere lo zero assoluto (0K), allora tutti gli elementi si congelerebbero; ad eccezione dell'elio, che si condenserebbe.

A questa temperatura estrema, il resto dei gas sarebbe sotto forma di ghiaccio.

All'altro estremo, se la temperatura fosse di circa 6000K, "tutti" gli elementi sarebbero in uno stato gassoso. In queste condizioni, si potevano osservare letteralmente nuvole di oro, argento, piombo e altri metalli.

Usi e applicazioni

La tavola periodica da sola è sempre stata e sarà, uno strumento per consultare i simboli, le masse atomiche, le strutture e le altre proprietà degli elementi. È molto utile quando si eseguono calcoli stechiometrici, che sono all'ordine del giorno in molte attività all'interno e all'esterno del laboratorio.

Non solo, ma anche la tavola periodica consente di confrontare gli elementi dello stesso gruppo o periodo. Quindi, si può prevedere come saranno certi composti degli elementi.

Predizione delle formule degli ossidi

Per esempio, per gli ossidi dei metalli alcalini, avendo un singolo elettrone di valenza, e quindi una valenza di +1, la formula dei loro ossidi dovrebbe essere del tipo M 2 O. Questo è controllato con l'ossido di idrogeno, acqua, H 2 O. Anche con gli ossidi di sodio, Na 2 O e potassio, K 2 O.

Per gli altri gruppi, i loro ossidi devono avere una formula generale M 2 O n, dove n è uguale al numero del gruppo (se l'elemento proviene dal blocco p, viene calcolato n-10). Pertanto, il carbonio, che appartiene al gruppo 14, forma CO 2 (C 2 O 4/2 ); zolfo, gruppo 16, SO 3 (S 2 O 6/2 ); e azoto, del gruppo 15, N 2 O 5 .

Tuttavia, questo non si applica ai metalli di transizione. Questo perché, sebbene il ferro appartenga al gruppo 8, non può perdere 8 elettroni ma 2 o 3. Pertanto, invece di memorizzare le formule, è più importante prestare attenzione alle valenze di ciascun elemento.

Valencia degli elementi

Le tabelle periodiche (alcune) mostrano le possibili valenze per ciascun elemento. Sapendo questi, si può stimare in anticipo la nomenclatura di un composto e la sua formula chimica. Le valenze, come detto sopra, sono legate al numero del gruppo; anche se non si applica a tutti i gruppi.

Le valenze dipendono più dalla struttura elettronica degli atomi, e quali elettroni possono veramente perdere o vincere.

Conoscendo il numero di elettroni di valenza, si può anche iniziare con la struttura di Lewis di un composto da questa informazione. La tavola periodica consente quindi a studenti e professionisti di tracciare strutture e lasciare spazio a un'indagine sulle possibili geometrie e strutture molecolari.

Tavoli digitali periodici

Oggigiorno, la tecnologia ha consentito alle tabelle periodiche di essere più versatili e di fornire più informazioni a disposizione di tutti. Molti di loro portano illustrazioni sorprendenti di ogni elemento, nonché un breve riassunto dei loro principali usi.

Il modo in cui interagisce con loro accelera la loro comprensione e studio. La tavola periodica deve essere uno strumento gradevole alla vista, facile da esplorare e il metodo più efficace per conoscere i suoi elementi chimici è viaggiare da periodi a gruppi.

Importanza della tavola periodica

Attualmente, la tavola periodica è lo strumento organizzativo più importante della chimica a causa delle relazioni dettagliate dei suoi elementi. Il suo uso è essenziale per studenti e insegnanti, nonché per i ricercatori e molti professionisti dedicati al campo della chimica e dell'ingegneria.

Basta guardare la tavola periodica, si ottiene una quantità enorme e informazioni rapidamente ed efficacemente, come ad esempio:

- Il litio (Li), il berillio (Be) e il boro (B) conducono l'elettricità.

- Il litio è un metallo alcalino, il berillio è un metallo alcalino terroso e il boro non è metallo.

- Il litio è il miglior conduttore dei tre nominati, seguito dal berillio e, infine, dal boro (semiconduttore).

Quindi, localizzando questi elementi nella tavola periodica si può concludere istantaneamente la loro tendenza alla conduttività elettrica.