La tavola periodica è la mappa ragionata di tutta la materia: ordina gli elementi secondo il numero atomico e li raggruppa per somiglianza di comportamento chimico, permettendo di prevedere proprietà ancora prima di osservarle in laboratorio.
Un'invenzione che ha cambiato la chimica
Nel 1869 il chimico russo Dmitrij Mendeleev mise in fila gli elementi conosciuti del suo tempo seguendo il peso atomico crescente e notò che certe proprietà si ripresentavano a intervalli regolari. La sua intuizione geniale fu lasciare caselle vuote dove i dati non tornavano, prevedendo elementi non ancora scoperti come il germanio, il gallio e lo scandio. Quando questi furono effettivamente isolati negli anni successivi, le loro proprietà coincisero in modo sorprendente con quelle previste sulla carta. Oggi la tavola è ordinata non più per massa ma per numero atomico Z, cioè il numero di protoni nel nucleo, dopo che il fisico Henry Moseley capì nel 1913 che era questa la grandezza davvero fondamentale. Questo cambiamento eliminò alcune inversioni anomale, come quella fra argon e potassio, ed evidenziò che è proprio la carica nucleare a determinare l'identità chimica di un atomo. Per uno studente di oggi questo significa che ogni casella della tavola corrisponde a un elemento unico e irripetibile, con un solo valore di Z possibile.
Come è organizzata: righe, colonne e blocchi
La tavola è formata da sette righe orizzontali, chiamate periodi, e diciotto colonne verticali, chiamate gruppi. Lungo un periodo il numero atomico aumenta di una unità per casella, mentre lungo un gruppo gli elementi condividono lo stesso numero di elettroni nel guscio più esterno, detto guscio di valenza. Questa regolarità spiega perché gli elementi di una stessa colonna hanno comportamenti chimici simili: il sodio e il potassio, per esempio, reagiscono entrambi violentemente con l'acqua perché possiedono un solo elettrone esterno facile da cedere. La tavola si divide inoltre in quattro blocchi, indicati con le lettere s, p, d e f, in base al tipo di orbitale che ospita l'elettrone più esterno. Il blocco s comprende i gruppi 1 e 2, il blocco p i gruppi dal 13 al 18, il blocco d i metalli di transizione dei gruppi dal 3 al 12, mentre il blocco f raccoglie lantanidi e attinidi, di solito staccati in fondo allo schema per ragioni grafiche. Un esempio quotidiano: il filamento di tungsteno di certe lampadine appartiene al blocco d, mentre il neon dei vecchi tubi pubblicitari è un gas nobile del blocco p.
Famiglie di elementi e proprietà condivise
Alcuni gruppi hanno un nome proprio perché racchiudono elementi con comportamenti particolarmente caratteristici, utili da memorizzare. Il gruppo 1, esclusi l'idrogeno, contiene i metalli alcalini come litio, sodio e potassio, teneri, lucenti e così reattivi da essere conservati sotto olio minerale per evitare il contatto con l'aria umida. Il gruppo 2 riunisce i metalli alcalino-terrosi come calcio e magnesio, fondamentali nella struttura delle ossa e nella fotosintesi clorofilliana. I gruppi dal 3 al 12 ospitano i metalli di transizione, fra cui ferro, rame e zinco, responsabili della conducibilità elettrica dei cavi domestici e della resistenza meccanica degli utensili da cucina. Il gruppo 17 ospita gli alogeni, elementi reattivi come cloro e iodio, presenti nei disinfettanti per piscine e nelle tinture antisettiche, mentre il gruppo 18 raggruppa i gas nobili, quasi inerti, usati nelle insegne luminose, nei palloni gonfiabili e nell'illuminazione dei fari delle automobili. Una linea a gradini separa idealmente metalli e non metalli e individua una zona di confine chiamata semimetalli, alla quale appartiene il silicio dei microchip dei nostri computer e smartphone.
Le proprietà periodiche: tendenze prevedibili
La tavola non serve solo a classificare, ma anche a prevedere come si comporta un elemento confrontandolo con i suoi vicini. Il raggio atomico, cioè la distanza fra il nucleo e l'elettrone più esterno, aumenta scendendo lungo un gruppo perché si aggiungono gusci elettronici, e diminuisce muovendosi da sinistra a destra lungo un periodo perché la carica nucleare cresce e attrae più fortemente gli elettroni. L'energia di ionizzazione, ovvero il lavoro necessario per strappare un elettrone all'atomo, mostra l'andamento opposto: cresce da sinistra a destra lungo un periodo e diminuisce scendendo lungo un gruppo, perché elettroni più lontani dal nucleo sono trattenuti più debolmente. L'elettronegatività, definita da Linus Pauling come la tendenza di un atomo a richiamare verso di sé gli elettroni di un legame, segue lo stesso andamento dell'energia di ionizzazione, con il fluoro come campione assoluto e il francio agli antipodi. Queste tre tendenze sono coerenti perché derivano tutte dallo stesso bilancio fra attrazione nucleare e schermatura degli elettroni interni. Nella vita quotidiana queste regolarità spiegano, per esempio, perché il sale da cucina si forma facilmente: il sodio, con bassa energia di ionizzazione, cede un elettrone al cloro, che ha elettronegatività elevata e lo attira con forza.
Leggere una casella: tutto in pochi simboli
Ogni casella della tavola condensa una quantità sorprendente di informazioni in pochi numeri e in un simbolo formato da una o due lettere, di cui la prima maiuscola. In alto si legge il numero atomico Z, che identifica l'elemento e indica il numero di protoni; in basso compare la massa atomica relativa, espressa in unità di massa atomica e calcolata come media pesata degli isotopi naturali. Per esempio nella casella del cloro si trova Z uguale a 17 e una massa di circa 35,45 u, perché in natura coesistono gli isotopi cloro-35 e cloro-37 in proporzioni diverse. Il simbolo chimico è spesso un'abbreviazione del nome latino: Au per oro da aurum, Fe per ferro da ferrum, Na per sodio da natrium. Conoscere il gruppo permette infine di prevedere quanti elettroni di valenza ha l'atomo e quindi quali legami formerà preferibilmente: un elemento del gruppo 16 come l'ossigeno tende a formare due legami, mentre un elemento del gruppo 14 come il carbonio ne forma quattro, fatto che spiega la sterminata varietà delle molecole organiche.
Ricorda
- Gli elementi sono ordinati per numero atomico crescente, non più per massa.
- I gruppi sono le colonne e raccolgono elementi con la stessa configurazione di valenza.
- I periodi sono le righe e corrispondono al numero di gusci elettronici occupati.
- I blocchi s, p, d, f riflettono il tipo di orbitale dell'ultimo elettrone aggiunto.
- Raggio atomico, energia di ionizzazione ed elettronegatività mostrano tendenze regolari.
Verifica attiva sul quaderno: disegna uno schema vuoto a 18 colonne e 7 righe, colloca al posto giusto i seguenti elementi indicando per ciascuno simbolo, gruppo, periodo e blocco: idrogeno, magnesio, ferro, bromo, argo, cesio. Poi, accanto allo schema, scrivi una frase per ciascun elemento che spieghi perché si trova proprio in quella posizione, citando il numero di elettroni di valenza.