Comprendere la struttura atomica e la tavola periodica: un viaggio tra rappresentazioni e proprietà

Tipi di rappresentazione atomica

Esistono diversi tipi di rappresentazione dell'atomo:

- rappresentazione classica che si fa con i livelli energetici descritti circolarmente e due elettroni posizionati sul primo livello e poi 8 per ciascun livello salendo;

- rappresentazione che va in ordine di energia crescente dall'alto al basso;

- rappresentazione grafica dove vengono rappresentati graficamente tutti gli orbitali nella loro effettiva forma.

Impone di occupare il più possibile gli orbitali, perchè gli elettroni sono cariche elettriche e si respingono tra loro e questo fatto determina ciò che afferma la regola di Hunt.

Interferenze nei livelli energetici

Dal terzo livello energetico in poi iniziano ad esserci delle interferenze tra gli orbitali e i loro livelli di energia: la progressione del riempimento degli orbitali non coincide più con l'ordine dei numeri quantici in quanto ci sono degli orbitali situati su un livello più alto che però hanno più energia rispetto a quelli più in basso, per esempio in 4s ha maggior energia del 3d.
La prima tavola periodica fu creata nell'800 dal chimico russo Mendeleev. Lui per crearla ragionò sulla massa dell'atomo e sulle sue proprietà chimiche. Mette tutti gli atomi in ordine di massa crescente. Si rende anche conto che ad intervalli regolari trova elementi con masse diverse, ma con analoghe proprietà chimiche. Da qui il “periodica” nel nome della tavola. Procedendo orizzontalmente sulla tua tavola, come su quella moderna troviamo le stesse caratteristiche chimiche, mentre procedendo orizzontalmente abbiamo un aumento della massa. Non aveva conoscenza della struttura degli atomi e non erano ancora stati scoperti tutti gli elementi, così per tenere valido ciò che lui aveva scoperto lascia dei buchi sulla tavola, che corrispondevano a degli elementi non ancora scoperti, dei quali lui descriveva già le proprietà e un peso approssimativo. La differenza più marcata tra la tavola di Mendeleev e quella moderna è che ora la tavola è ordinata secondo il numero di elettroni. I nomi dei gruppi:

gruppo I: metalli alcalini;

gruppo II: metalli alcalino-terrosi;

gruppo III: metalli terrosi;

gruppo IV: gruppo del carbonio;

gruppo V: gruppo dell'azoto;

gruppo VI: gruppo dell'ossigeno;

gruppo VII: gruppo del fluoro;

gruppo VIII: gas nobili.

Caratteristiche della tavola periodica

- Il colore dice dove si trova l'ultimo elettrone;

- i gruppi indicano il numero di elettroni all'interno dell'ultimo livello energetico;

- i periodi indicano il livello energetico dell'elemento;

Ci sono due numerazioni dei gruppi, la numerazione IUPAC con i numeri arabi convenzionale, e quella in numeri romani che è più comoda della precedente. Quest'ultima indica solo s e p perché le strisce di transizione sono chimicamente poco importanti.

Configurazione chimica degli ioni

Per disegnare la configurazione chimica degli ioni bisogna tener conto di quanti elettroni in più o in meno hanno. Se è Fe2+ per esempio avrà due elettroni in meno perché ha due cariche positive in più.

Servono per indicare la configurazione elettronica: si mette il simbolo dell'elemento al centro e intorno ci si disegnano dei puntini che stanno a simboleggiare gli elettroni. È però la configurazione elettronica solo degli elettroni di valenza, quelli dell'ultimo livello, che determinano le proprietà chimiche degli elementi. Gli elettroni non sono messi a caso, ma seguendo la regola degli orbitali: prima si mette un elettrone su ciascuno dei 4 lati del simbolo, poi quando i quattro lati sono pieni si iniziano a creare delle coppie di elettroni.

Proprietà periodiche degli elementi

La posizione degli elementi all'interno della tavola periodica determina le loro caratteristiche chimiche e fisiche. Queste caratteristiche determinate dal periodo e dal gruppo prendono il nome di proprietà periodiche. Le principali sono:
- raggio atomico: ha un valore preciso e definito; mi dice dove si trova l'elettrone più esterno rispetto al nucleo. Gli atomi sono normalmente legati tra di loro e occupano posizioni reciproche ben precise, in particolare i nuclei di due atomi definiti saranno sempre alla stessa distanza, per via delle cariche. Questa distanza è misurabile sperimentalmente: basta prendere due atomi uguali e farli legare tra loro e a quel punto il raggio atomico non sarà altro che la metà della distanza tra i due nuclei. Si misura in nanometri. I raggi atomici hanno una regolarità sia nei gruppi che nei periodi, ma non nelle strisce di transizione, dove vi sono molte irregolarità. Scendendo di periodi si hanno più livelli energetici, quindi gli elettroni sono più lontani; mentre sui gruppi andando da sinistra a destra decresce,in quanto più protoni ed elettroni ci sono, più attrazione c'è verso il nucleo.

- Energia di ionizzazione: alcuni atomi tendono a cedere elettroni, e per vedere questa caratteristica si deve misurare l'energia di ionizzazione. Per calcolarla si usa un tubo pieno di gas dove viene fatto il vuoto con i due elettrodi ai due poli. Si dà corrente e ad una certa intensità c'è un crollo del flusso di elettroni staccati dall'elettrodo, a questo punto il gas viene ionizzato. Gli elettroni del metallo hanno una velocità tale che andando ad urtare gli atomi del gas, fanno sì che sì stacchino gli elettroni più esterni di essi e ciò provoca una dissipazione di energia. Dopo il primo, se se ne vogliono strappare altri, è necessaria sempre più energia. Ci sono dei forti dislivelli per strappare gli elettroni di livelli energetici diversi. Questa energia ci dice qualcosa anche della struttura dell'atomo: con un forte sbalzo di energia di ionizzazione abbiamo un cambiamento di livello verso il nucleo. Mettendo a confronto tutte le energie di ionizzazione notiamo che le energie più basse sono quelle degli elementi che stanno in alto alla tavola periodica, man mano che si scende i valori calano, mentre andando da sinistra a destra sullo stesso periodo l'energia di ionizzazione aumenta. Si misura in kJ/mol.

Affinità elettronica ed elettronegatività

- Affinità elettronica: è l'energia che libera un atomo quando da neutro diventa ione negativo. Si misura anch'essa in kJ/mol. Tutti gli elementi liberano energie diverse. Ci sono atomi che liberano maggior energia, quello che ne libera di più è il fluoro (se c'è un elettrone nei paraggi tende ad inglobarlo perché gli dà maggior stabilità) e quelli che hanno la minor affinità sono rubidio e cesio. Se un atomo ha bassa energia di ionizzazione avrà anche bassa affinità e viceversa.

- Elettronegatività: i chimici non si preoccupano però né di energia di ionizzazione, né di affinità elettronica, bensì usano l'elettronegatività. Dice le stesse cose di queste due basandosi sul comportamento chimico dell'elemento. Ci sono diverse scale per misurarla; è un criterio chimico che permette di ordinare gli atomi a seconda della loro tendenza a reagire e formare legami. Per costruire la scala di elettronegatività si studiano gli elementi a coppie per vedere come reagiscono tra loro. Il valore teorico massimo per questo parametro è di 4. Sono esclusi da questo discorso i gas nobili che tendono a stare separati e a non formare legami, quindi non hanno elettronegatività.