Atomi e Quanti

Sistema Periodico degli elementi

Classificare significa suddividere un insieme eterogeneo in tanti gruppi omogenei per determinate proprietà preventivamente fissate e la difficoltà sta proprio nello stabilire le proprietà che devono essere alla base della classificazione stessa.
Quella di classificare è un'esigenza fondamentale delle scienze sperimentali e la si ritrova in tutte le discipline; essa è importante per motivi di chiarezza, e per poter analizzare con maggior precisione le proprietà e le caratteristiche di ciò che ha trovato sistemazione logica all'interno dello schema in cui è stato inserito.
Molti sono stati i tentativi di riordinare e di classificare i vari elementi chimici.
Nel 1869 Dmitry Ivanovich Mendeleyev (Mendeleev)
stabilì il suo sistema periodico partendo dalle idee di Dobereiner (1825), Pettenkofer (1850), Parson (1857), De Chancourtois (1863) e Newlands (1864).
Mendeleev ordinò gli elementi secondo i valori crescenti del loro numero atomico e tenendo conto delle analogie fra le loro proprietà chimiche.
In un secondo tempo vennero aggiunti da Brauner (1899) i gas nobili, che erano stati scoperti fra il 1894 ed il 1898 da Rayleigh e da Ramsay, e raggruppò gli elementi delle terre rare (lantanidi).
E' stato successivamente, nel 1914 che il parametro ordinatore degli elementi diventò il numero atomico che venne valutato da Moseley utilizzando uno spettroscopio.

Un atomo può essere immaginato come costituito dal nucleo attorno al quale gli elettroni sono delocalizzati su successive nubi di elettricità di varia forma e dimensione (gli orbitali) sempre più lontani dal nucleo stesso all'aumentare del numero quantico principale n degli elettroni.Gli elettroni più vicini al nucleo (n=1) sono quelli legati più fortemente ad esso, man mano che si passa agli elettroni più esterni, la forza di tale legame diminuisce.

Quindi gli elettroni esterni sono quelli che più facilmente possono essere mobilizzati in in fenomeni nei quali l'energia in gioco abbia modesti valori.
Sono essenzialmente gli elettroni esterni quelli che determinano le proprietà chimiche degli atomi, per conseguenza, atomi assai diversi per numero totale di elettroni e per dimensioni, ma con struttura esterna simile possiedono proprietà chimiche simili, atomi con un poco diverso numero totale di elettroni ma con struttura elettronica esterna diversa, possiedono proprietà chimiche diverse.

Prima di passare ad illustrare la tavola periodica penso sia meglio parlare dei numeri quantici, almeno brevemente.

  • L'atomo è costituito da un nucleo carico positivamente attorno al quale ruotano elettroni in numero tale da neutralizzare la carica. Essi ruotano su ben determinate orbite chiamate stati stazionari, sulle quali ciascuno di essi mantiene costante la sua energia totale, anch'essa quantizzata.
  • Gli elettroni ruotano intorno al nucleo e ruotano anche intorno al proprio asse, a questi due movimenti sono associati campi magnetici.
  • Ciascun elettrone è individuato da 4 numeri quantici che possono assumere solo certi valori:
    n = 1, 2, 3, 4....
    l = 0, 1, 2, 3,....(n-1)
    m = 0,±1, ±2, ….±l
    ms = ± 1/2
  • In un atomo non possono esistere due o più elettroni che abbiano i 4 numeri quantici uguali
    (principio di Pauli).
  • Al salto di un elettrone da uno stato quantico con energia E2 ad un altro con energia E1
    ( E2>E1 ) corrisponde l'emissione di una radiazione di frequenza v = ( E2 - E1 )/ h ; l'insieme di queste radiazioni costituisce lo spettro di emissione dell'atomo.
    Successivamente a questa teoria di Bohr fu associata una nuova teoria nata dalla mente geniale di De Broglie sulla natura ondulatoria dell'elettrone.
    Einstein (1923) nella sua teoria sulla natura dualistica corpuscolare-ondulatoria della luce associava ad un'onda di frequenza ( un fotone di energia :
  • ed aveva dato l'equazione di equivalenza fra massa (m) ed energia :
  • ove c è la velocità della luce.
    De Broglie estese l'assunto di Einstein realtivo al fotone, dimostrando che ogni corpuscolo materiale di massa m in moto con velocità v è associata una radiazione la cui lunghezza d'onda è data da:

Nel 1927 Davisson e Germer pensarono che se agli elettroni in moto era associata un'onda, un fascio di elettroni in moto avrebbe dovuto presentare le proprietà di una radiazione.
Il concetto di onda associata all'elettrone è molto importante perché si può considerare come un'onda di probabilità cioè in ogni punto indica il valore della probabilità di trovare in quel punto l'elettrone.
Nella teoria quantistica l'elettrone era un'entità ben definita, nella teoria ondulatoria perde la sua individualità e risulta delocalizzato in un'onda di probabilità.
Il probabilismo della meccanica ondulatoria in confronto al rigido determinismo della meccanica classica rappresenta la linea di separazione fra la fisica classica e la fisica moderna.
Un atomo può essere immaginato come costituito da un nucleo attorno al quale gli elettroni sono delocalizzati su successive nubi di elettricità di varia forma e dimensione (orbitali) sempre più lontane dal nucleo all'aumentare del numero quantico principale n degli elettroni.
Gli elettroni più vicini al nucleo (n=1) sono quelli legati più fortemente ad esso, a mano a mano che si passa ad elettroni più esterni, la forza di legame diminuisce.
Gli elettroni più esterni essendo sono quelli che più facilmente possono essere mobilizzati in fenomeni nei quali l'energia in gioco sia bassa.

I valori dei numeri quantici n, l, definiscono rispettivamente, l'energia e la forma dell'orbitale e corrispondentemente ai diversi valori che può assumere l , gli orbitali relativi vengono indicati con le seguenti lettere:

  • l = 0 orbitali s
  • l = 1 orbitali p
  • l = 2 orbitali d
  • l = 3 orbitali f

Se si configura idealmente un atomo, ogni elettrone che si aggiunge va ad occupare il livello con il più basso contenuto di energia. Di conseguenza i livelli verranno riempiti seguendo l'ordine crescente delle loro energie:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s,...

sistema periodico

  • Ogni periodo (linee orizzontali) a partire dal secondo, inizia con un elemento che è un metallo alcalino che ha come configurazione elettronica esterna un elettrone e termina con un gas nobile che è assai stabile perché ha l'ottetto completo (s2p6) .
  • Ogni gruppo (linee verticali) comprende elementi i cui atomi hanno la stessa configurazione elettronica esterna, quindi proprietà chimiche simili, le dimensioni aumentano nel passare da un elemento al successivo. Il numero del gruppo indica il numero di elettroni presenti nella configurazione esterna .: ad esempio nel 5° gruppo tutti gli atomi hanno 5 elettroni negli orbitali esterni.
    Scendendo lungo un gruppo i successivi atomi hanno gli elettroni esterni legati sempre meno fortemente.

Gli elementi che fanno parte di uno stesso periodo, i cui atomi hanno struttura elettronica esterna che varia regolarmente lungo il periodo, sono caratterizzati da una regolare variazione di
Proprietà e procedendo da sinistra verso destra, lungo ogni periodo, escludendo gli elementi di transizione, diminuisce il carattere metallico.
Si può concludere dicendo che le proprietà metalliche si rafforzano procedendo verso sinistra, nei periodi e verso il basso nei gruppi; perciò l'elemento che ha maggiori caratteristiche metalliche è il Cs (cesio).
Gli elementi di transizione si inseriscono fra gli elementi del II gruppo e del III gruppo ed in corrispondenza del 4°, 5°, 6° periodo e corrispondono al successivo riempimento degli orbitali 3d, 4d, 5d mentre altri orbitali sottostanti sono ancora vuoti.
Mentre procedendo da sinistra a destra nei vari periodi, gli elementi variano notevolmente le loro proprietà, negli elementi di transizione si ha una stasi in quanto possiedono molte proprietà fisiche e chimiche comuni, ad esempio sono tutti metalli. Essi si raggruppano in 3 serie di transizione:

  • 1° Serie di transizione dallo scandio allo zinco
  • 2° Serie di transizione dall'ittrio al cadmio
  • 3° Serie di transizione dal lantanio al mercurio

I lantanidi (dal cerio al lutezio) sono poco diversi per dimensioni atomiche, differiscono fra loro per la struttura dello strato 4f hanno proprietà tanto simili che ne è assai difficile la separazione per via chimica.
L'esame delle caratteristiche periodiche è stata estremamente utile nella scoperta e individuazione di nuovi atomi ancora sconosciuti. Attualmente, in base a questo modello, possiamo essere sicuri che non esiste alcun atomo sconosciuto, se così non fosse, se se ne scoprisse uno nuovo, imprevisto, il modello cadrebbe o dovrebbe essere modificato.