Proprietà periodiche degli elementi (2)

Le proprietà periodiche degli elementi

Le proprietà chimiche degli elementi dipendono dalla capacità degli atomi di interagire con altri atomi. Le interazioni con altri atomi avvengono tramite gli elettroni di valenza (elettroni più esterni).
La configurazione elettronica esterna per gli elementi appartenenti allo stesso gruppo si ripete, di conseguenza le proprietà degli elementi in un gruppo si ripetono.
Le proprietà periodiche sono proprietà fisiche, misurabili sperimentalmente, che si ripetono con periodicità nell’ambito della tavola periodica.
Le proprietà periodiche sono:
Raggio atomico
Per raggio atomico si intende la metà della distanza di minimo avvicinamento
Tra due atomi legati covalentemente in una molecola biatomica omonucleare (raggio covalente);
Tra due nuclei adiacenti in un cristallo metallico (raggio metallico);
Tra i nuclei di ioni uniti da un legame ionico (raggio ionico);
Tra i centri di atomi adiacenti in un campione solido di gas nobili (raggio di van der Waals), la cui determinazione è però molto complessa.
Il raggio atomico dipende da due fattori. Il primo è il valore del numero quantico principale, n. All’aumentare di esso gli elettroni più esterni si trovano più lontani dal nucleo (aumentano le dimensioni dell’atomo). Il secondo fattore è la carica effettiva (Zeff), al crescere di essa gli elettroni sono attratti maggiormente verso il nucleo (diminuiscono le dimensioni dell’atomo).
r∝n^2/(Z-S)=n^2/Z_eff
Dove S è la costante di schermo.
Il raggio atomico subisce delle variazioni sia lungo i periodi che lungo i gruppi.
Lungo i periodi n rimane costante, mentre Zeff aumenta in quanto la carica nucleare, e S, essendo una costante, rimane invariata. Si può quindi dire che il raggio diminuisce da sinistra verso destra, lungo i periodi.
Lungo i gruppi n aumenta, mentre Zeff rimane costante. Con l’aumento del numero quantico principale n, che ricordiamo indica l’energia dell’orbitale, aumenta anche l’energia degli elettroni, che tenderanno a posizionarsi all’esterno. Se Zeff rimane costante, il raggio aumenta dall’alto verso il basso. In un atomo maggiore è il numero di livelli elettronici e maggiore è la sua dimensione.
Per quanto riguarda il raggio ionico, esso è il raggio del catione o dell’anione misurato in un cristallo ionico.
I cationi sono più piccoli di atomi neutri, in quanto hanno elettroni in meno (quindi carica positiva). Vi sarà una maggiore attrazione nucleare e minore repulsione elettronica.
Gli anioni sono più grandi degli atomi neutri, in quanto hanno più elettroni (quindi carica negativa). Vi sarà una maggiore repulsione elettronica e una minore attrazione nucleare.
Potenziale di ionizzazione (o energia di ionizzazione)
È l’energia necessaria per allontanare un elettrone da un atomo (o ione) isolato e gassoso che si trova nel suo stato fondamentale a modo che esso non venga più attratto dal nucleo. È quindi una misura della capacità di un atomo di cedere elettroni (ovvero di ossidarsi).
L’energia di prima ionizzazione è l’energia richiesta per strappare un elettrone da un atomo neutro allo stato gassoso. L’energia di seconda ionizzazione invece è quella necessaria per strappare un elettrone da uno ione allo stato gassoso con carica +1 e via di seguito.
Ovviamente, al crescere della carica dello ione, aumenterà anche l’energia di ionizzazione. Infatti più gli elettroni sono vicini al nucleo e più saranno attratti da esso, quindi sarà necessaria maggiore energia per rimuoverli.
Inoltre l’energia di ionizzazione aumenta enormemente dopo che sono stati ionizzati gli elettroni di valenza (più esterni). Gli elettroni interni infatti non possono essere utilizzati nelle normali reazioni chimiche.
Le energie di ionizzazione sono sempre positive.
L’energia di ionizzazione diminuisce all’aumentare del raggio atomico.
Affinità elettronica
È la tendenza di un atomo ad acqusitare elettroni quando ha l’ultimo livello incompleto. È quindi l’energia necessaria nella formazione di un anione a partire da un atomo (o ione) isolato e gassoso che si trova nel suo stato fondamentale.
È una misura della capacità di un atomo di acquistare elettroni (quindi di ridursi).
È importante specificare che alcuni atomi non hanno alcuna tendenza ad acquistare elettroni. È il caso dei gas nobili, in cui l’elettrone aggiuntivo dovrebbe entrare in un orbitale vuoto di un nuovo guscioelettronico, in quanto i restanti orbitali sono tutti completi.
L’affinità elettronica assume generalmente valori negativi (è una reazione esotermica, che produce calore), a eccezione che per:
I gas nobili, che hanno il livello esterno completo;
I metalli alcalino-terrosi (sottolivello s completo).
La seconda affinità elettronica ha sempre valore positivo, quindi aggiungere un elettrone ad un anione richiede energia.
Considerazioni importanti sull’energia di ionizzazione e sull’affinità elettronica
I gas nobili hanno energie di ionizzazione molto alte e affinità elettronica positiva: la loro tendenza è quella di non cedere e non acquistare elettroni. i gas nobili sono perciò inerti, la configurazione ns2np6 rappresenta una configurazione particolarmente stabile. la tendenza spontanea degli atomi è quella di raggiungere lo stato a minor energia, ovvero la configurazione stabile dei gas nobili.
I metalli dei gruppi 1 (alcalini), 2 (alcalino-terrosi) e 3 hanno basso potenziale di prima ionizzazione e bassa (o positiva) affinità elettronica. Raggiungono la configurazione elettronica stabile del gas nobile che li precede cedendo elettroni (formano cationi).
Gli elementi dei gruppi 16 (calcogeni) e 17 (alogeni) hanno alto potenziale di prima ionizzazione e alta affinità elettronica. Raggiungono la configurazione elettronica stabile del gas nobile che li segue acquistando elettroni (formano anioni).