Volume atomico: descrizione

In questo appunto di chimica di tratta del volume atomico che essendo funzione del raggio atomico è una proprietà periodica degli elementi chimici. Tutti gli elementi che costituiscono la materia organica e inorganica sono presenti in una tabella nota come tavola periodica e la collocazione degli elementi in questa tabella non è casuale ma l’ordine con cui sono disposti è funzione della periodicità con cui si presentano le loro proprietà.

Atomi e teoria atomica

Gli atomi sono le particelle piccolissime che costituiscono ogni tipo di materia, possiamo paragonarli ai mattoncini da costruzione.

Ciascuno di noi nella propria infanzia ha sicuramente posseduto delle costruzioni o vi avrà giocato a scuola. I colori sgargianti e le molteplici forme di questi blocchetti sono capaci di scatenare la fantasia e la creatività di qualsiasi bambino, la natura non è da meno.
Gli atomi esistono davvero?
Sono ammettendo che gli atomi esistano è possibile interpretare in modo razionale le leggi che guidano le trasformazioni fisiche e chimiche. Nel 1981 è stato ideato uno strumento molto sofisticato il microscopio ad effetto tunnel o STM dall'inglese Scanning Tunneling Microscope, il quale con l’aiuto di un computer consente di ottenere immagini tridimensionali di atomi depositati su superfici metalliche.
Anche se ci sembra tanto moderna la teoria atomica è stata formulata per la prima volta nell’antica Grecia nel V secolo a.C. Leucippo e il suo allievo Democrito affermarono che l’universo è formato solo da spazio vuoto e da atomi, particelle piene e perciò indivisibili. Suddividendo la materia al massimo grado possibile si giunge agli atomi, parola coniata proprio da Democrito infatti in greco atomo significa indivisibile. Secondo il pensiero del filosofo gli atomi possono differire in forma e dimensione, si muovono e, quando le loro forme si possono unire, si combinano generando i corpi e infine i mondi. Democrito affermava che la quantità della materia rimane sempre identica, cambiano solo le combinazioni fra gli atomi. Queste concezioni del filosofo greco mancavano di qualsiasi supporto sperimentale ed erano basate solo sull’intuizione, tuttavia alcuni aspetti del pensiero atomistico di Democrito precorrevano le idee moderne.
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Teoria atomica di Dalton e le leggi fondamentali della chimica

Per giungere al suo modello atomico, tanto lo fece attraverso l’attenta analisi di due leggi fondamentali della chimica:

1. La legge di conservazione della massa
2. La legge delle proporzioni multiple

La teoria atomica di Dalton si fonda su cinque punti principali che sono i seguenti:

1. la materia è costituita da atomi, particelle piccolissime, piene e indivisibili
2. gli atomi di uno stesso elemento sono tutti identici, in particolare hanno la stessa massa
3. gli atomi di elementi diversi sono anch’essi diversi, in particolare hanno masse differenti
4. gli atomi degli elementi si combinano nei composti secondo rapporti numerici ben precisi
5. nelle reazioni chimiche, gli atomi degli elementi cambiano il modo in cui si combinano, ma conservano la propria identità ovvero, non sono né creati né distrutti scissi in particelle più piccole

Riportiamo dunque gli enunciati delle leggi fondamentali della chimica che contribuirono alla formulazione della teoria atomica di dalton e poi alla formulazione della terza di esse.

• legge di conservazione della massa o legge di Lavoisier: in una reazione chimica la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti.
• legge delle proporzioni definite o legge di Proust: in un dato composto i rapporti in massa fra gli elementi che lo costituiscono sono definiti e costanti
• legge delle proporzioni multiple o legge di Dalton: quando due elementi formano più composti, in questi ultimi le masse di uno degli elementi, combinate con una massa costante dell’altro, stanno fra loro in rapporti espressi da numeri interi e piccoli.

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Teoria atomico-molecolare

Nelle concezioni moderne sulla struttura atomica molti aspetti del modello di Dalton non sono più accettati: in particolare si ritiene che l’atomo sia costituito in gran parte da spazio vuoto e non sia indivisibile, bensì consista in particelle più piccole che sono le particelle subatomiche. Nonostante ciò, gli scienziati ritengono ancora valida l’idea che un atomo non si trasformi in altri atomi nel corso delle reazioni chimiche.tenendo conto di questo possiamo dare la seguente definizione di atomo attualmente valida:
Si chiama atomo è la particella più piccola di un elemento, che mantiene la sua identità durante le reazioni chimiche.
Si definisce molecola una particella neutra composta da un numero intero e costante di atomi, uniti, se diversi fra loro, secondo rapporti numerici ben definiti.
Si dicono ioni gli atomi e i gruppi di atomi che sono dotati di carica elettrica positiva o negativa, gli ioni positivi sono chiamati cationi, quelli negativi anioni.
Quanti elementi chimici esistono?
Tutti gli elementi chimici si trovano in una tabella, chiamata tavola periodica e concepita dallo scienziato russo Dimitri Mendeleev nel 1869.

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Tavola periodica di Mendeleev

Mendeleev fu professore di chimica nell’Università di San Pietroburgo e concepì il primo modello di Tavola Periodica nel lontano 1869. Egli dispose nella sua tavola periodica gli elementi noti all’epoca che erano solamente 60. Otre a questi la tavola periodica moderna comprende gli altri elementi naturali che sono stati scoperti successivamente e quelli artificiali creati dei reattori atomici.
Nella tavola di Mendeleev, gli elementi scoperti all’epoca furono ordinati principalmente secondo il valore crescente della loro massa atomica relativa, ma si presero in considerazione anche le loro proprietà chimiche e fisiche. Per questo motivo Mendeleev pose il tellurio prima dello iodio, sebbene quest’ultimo avesse una massa atomica minore, collocando le due sostanze in gruppi di elementi che presentavano proprietà chimiche simili alle loro.
La classificazione si dimostrò valida permettendo di formulare previsioni che si rivelarono corrette, infatti il professore ipotizzò l’esistenza e le proprietà di alcuni elementi ancora sconosciuti in quel tempo; quando in seguito tali elementi furono scoperti, si trovò che si adattavano con esattezza alle previsioni dello scienziato. Per esempio, Mendeleev previde le proprietà di un elemento mancante che chiamò “ecasilicio”, specificandone con precisione il colore, la densità, il punto di fusione nonché la massa atomica relativa. Nel 1886 l’elemento che oggi conosciamo come germanio fu scoperto in Germania da Winkler; le sue proprietà coincidevano quasi esattamente con quelle pronosticate da Mendeleev.

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Tavola periodica moderna

Nei primi anni del XX secolo la tavola periodica di Mendeleev è stata modificata, le scoperte relative alle particelle subatomiche di Rutherford e Moseley fecero comprendere che gli elementi dovevano essere disposti secondo il numero atomico che indica il numero dei protoni del nucleo e quindi anche il numero di elettroni dell’atomo neutro, perciò nella moderna tavola periodica i 115 elementi conosciuti sono collocati in ordine di numero atomico crescente.
Gli elementi sono dunque organizzati in conformità alla legge della periodicità: le proprietà degli elementi sono una funzione periodica del loro numero atomico, il termine periodicità significa che gli elementi simili si presentano ad intervalli regolari. In accordo con questa legge la tavola è costituita da periodi e da gruppi.
I periodi sono le righe orizzontali, che comprendono elementi le cui proprietà chimiche e fisiche variano gradualmente;
i gruppi, o famiglie chimiche, sono le colonne, che contengono elementi con proprietà chimiche e fisiche simili.
La periodicità delle proprietà degli elementi è correlata alla periodicità della configurazione elettronica esterna dei loro atomi. In ogni periodo la configurazione elettronica esterna degli elementi varia gradualmente fino a raggiungere il massimo numero possibile di elettroni, subito dopo inizia un nuovo periodo in cui ricompaiono nella stessa sequenza, elementi con configurazioni elettroniche esterne simili a quelle degli elementi del periodo precedente.
Gli elementi dello stesso gruppo presentano configurazioni elettroniche esterne e quindi proprietà simili.
Gli elementi rappresentativi o tipici fanno parte degli otto gruppi A, mentre gli elementi di transizione sono disposti negli otto gruppo B. In alternativa si possono anche contrassegnare i gruppi con i numeri arabi da 1 a 18.
I periodi sono sette, ai quali vanno aggiunte, nella parte inferiore della tavola periodica, due righe che includono gli elementi di transizione interna, che sono distinti in lantanidi, o terre rare, e attinidi cosiddetti dagli elementi lantanio e attinio che li precedono immediatamente.
I periodi sono numerati da 1 a 7 discendendo lungo la tavola periodica: il numero del periodo coincide con il numero quantico principale del livello elettronico esterno. La tavola periodica può essere anche divisa in due da una linea spezzata, detta linea di transizione: gli elementi che si trovano a sinistra della linea sono metalli e quelli posti a destra sono non metalli; gli elementi che fiancheggiano questa linea di divisione sono noti come semimetalli e si comportano alcune volte da metalli e altre volte da non metalli.

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Proprietà periodiche degli elementi chimici

Vediamo ora in che modo la periodicità delle proprietà degli elementi è correlata alla periodicità della configurazione elettronica esterna dei loro atomi.
La tavola periodica è suddivisa anche in quattro blocchi, e ogni lettera indica la forma degli orbitali:

• blocco s
• blocco p
• blocco d
• blocco f

Il primo blocco, quello s, contiene gli elementi in cui l’ultimo elettrone si trova in un sottolivello s.
Il secondo blocco comprende gli elementi che hanno l’ultimo elettrone nel sottolivello p.
Fra questi due blocchi è inserito il blocco d; gli elementi che vi appartengono sono tutti i metalli e sono caratterizzati dalla collocazione del loro ultimo elettrone sotto livello d.
Gli elementi del blocco f sono situati nella parte inferiore della tavola periodica, comprendono i lantanidi e gli attinidi. Hanno proprietà chimiche quasi identiche perché differiscono solo nella struttura di un sottolivello f ancor più interno.
A questo punto esaminiamo le proprietà periodiche più importanti.

Raggio atomico

. Il raggio atomico diminuisce procedendo lungo un periodo da sinistra a destra, infatti, procedendo in questo senso aumenta il numero di protoni nel nucleo e di conseguenza aumenta anche la carica nucleare. Gli elettroni aggiunti si dispongono tutti nello stesso livello esterno quindi non esercitano alcuna azione di schermo nei confronti dell’attrazione esercitata dal nucleo. L’aumento della carica nucleare lungo il periodo determina un’attrazione più forte verso gli elettroni esterni causando una contrazione dell'atomo per cui il raggio atomico dell’elemento diminuisce.
Il raggio atomico aumenta scendendo lungo un gruppo, in questo caso ci sono due fattori in gioco:

• aumenta il numero dei livelli elettronici occupati, perciò crescono le dimensioni dello strato elettronico esterno;
• aumenta il numero dei protoni nel nucleo

Quest’ultimo fattore però è controbilanciato dall’effetto di schermo dovuto al maggior numero di elettroni interni; in pratica gli elettroni esterni sono parzialmente schermati a opera degli elettroni interni, rispetto all’attrazione per nucleo.di conseguenza il risultato netto è l’aumento delle dimensioni atomiche ma mano che si scende lungo il gruppo.

Volume atomico

Assimilando la forma di un atomo a quello di una piccola sfera per il calcolo del volume si può utilizzare la stessa formula valida per la figura geometrica:

Pertanto il volume atomico allo stesso tipo di variazione di maggio atomico ovvero diminuisce procedendo lungo un periodo da sinistra a destra e aumenta/red] scendendo lungo un gruppo.

Raggio ionico

e questo avviene perché la perdita di un elettrone fa sì che gli elettroni rimasti siano trattenuti con una maggiore attrazione a opera dei protoni del nucleo quindi anche il volume di uno ione positivo è minore del volume atomico dell’atomo neutro.
Uno ione negativo a un raggio più grande di quello dell’atomo neutro poiché l’aggiunta di un elettrone genera una repulsione più intensa elettrone-elettrone e una minore attrazione degli elettroni da parte di nucleo dello ione di conseguenza il volume di uno ione negativo è maggiore di quello dell’atomo neutro.
Energia di prima ionizzazione
L'energia di prima ionizzazione di un elemento chimico è l’energia richiesta per allontanare 1 mole di elettroni da 1 mole di atomi gassosi dando 1 mole di ioni gassosi.
L’energia di prima ionizzazione cresce da sinistra verso destra nei periodi, con qualche picco di irregolarità. Questo aumento è dovuto all’aumento della carica nucleare lungo il periodo la quale fa sì che gli elettroni siano maggiormente trattenuti.

L’energia di prima ionizzazione diminuisce scendendo lungo un gruppo, man mano che si scende nel gruppo la carica nucleare aumenta, ma l’elettrone esterno che deve essere rimosso ora è più lontano dal nucleo e quindi trattenuto con minore intensità.la schermatura nei riguardi degli elettroni esterni a opera di quelli interni riduce anche essa la forza attrattiva esercitata dal nucleo sugli elettroni esterni. Entrambi questi fattori determinano una diminuzione dell’energia di prima ionizzazione.la capacità di perdere facilmente elettroni è una caratteristica dei metalli, pertanto le proprietà metalliche degli elementi aumentano gradualmente da destra verso sinistra dei periodi e dall’alto verso il basso nei gruppi.

Affinità elettronica

Si definisce affinità elettronica la variazione di energia che si determina quando 1 mole di atomi gassosi accetta 1 mole di elettroni per formare 1 mole di ioni negativi gassosi con carica singola. L’andamento di questa grandezza nella tavola periodica e simile a quello dell’energia di prima ionizzazione, ovvero, la prima affinità elettronica aumenta da sinistra verso destra nei periodi e diminuisce dall’alto verso il basso dei gruppi anche se con diversi regolarità.

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