Sistema Periodico, mondo da esplorare - Tesina

ISIS G. Natta

Esame di stato 2015

Il sistema periodico: Agazzi Cristian 5^B CM

Un mondo da esplorare

Indice

Introduzione ...................................................................................................................................... 3

Il sistema periodico ..................................................................................................................... 5

La configurazione elettronica ..................................................................................................... 6

Periodi e gruppi ............................................................................................................................... 10

Blocchi ............................................................................................................................................... 12

Proprietà periodiche ...................................................................................................................... 13

Storia ................................................................................................................................................. 15

Oro ............................................................................................................................................................... 20

Caratteristiche ................................................................................................................................ 20

Nella storia ...................................................................................................................................... 21

Simbolismo ....................................................................................................................................... 22

Carbonio ................................................................................................................................................ 23

Storia di un atomo di carbonio .................................................................................................. 23

Gli altri 116 elementi ............................................................................................................... 28

Idrogeno ........................................................................................................................................... 28

Gas nobili .......................................................................................................................................... 29

Metalli alcalini .............................................................................................................................. 30

Metalli alcalino terrosi ............................................................................................................... 31

Alogeni .............................................................................................................................................. 32

I semimetalli ..................................................................................................................................... 33

Azoto ................................................................................................................................................. 35

Ossigeno ............................................................................................................................................ 35

Alluminio .......................................................................................................................................... 36

Fosforo ............................................................................................................................................. 36

Zolfo .................................................................................................................................................. 37

Selenio ............................................................................................................................................... 37

Titanio, zirconio e afnio ............................................................................................................... 37

Vanadio, niobio e tantalio ........................................................................................................... 38

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Cromo ................................................................................................................................................ 38

Molibdeno e tungsteno ................................................................................................................ 39

Manganese, tecnezio e renio ....................................................................................................... 39

Gruppo del platino .......................................................................................................................... 40

Ferro .................................................................................................................................................. 41

Cobalto e nichel .............................................................................................................................. 41

Rame ................................................................................................................................................... 42

Argento ............................................................................................................................................. 42

Zinco e cadmio ................................................................................................................................. 43

Mercurio ........................................................................................................................................... 43

Gallio, indio e tallio ...................................................................................................................... 44

Stagno, piombo ............................................................................................................................... 44

Bismuto ............................................................................................................................................. 45

Terre rare ......................................................................................................................................... 45

Attinidi ............................................................................................................................................... 47

Elementi sintetici ............................................................................................................................ 48

Bibliografia ........................................................................................................................................ 49

Sitografia ............................................................................................................................................. 49

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Introduzione

“Mi piace il modo in cui la tavola spiega il nostro mondo: ogni casella rappresenta un

pezzettino della nostra civiltà” (Hugh Aldersey-Williams)

È proprio dalla citazione di Hugh Aldersey-Williams nel suo libro “Favole periodiche” che

nasce questo lavoro. A scuola la tavola periodica viene trattata nelle lezioni di chimica o di

scienze dal punto di vista strettamente pratico. Si insegna cioè ad utilizzarla ricavandone le

informazioni necessarie, spesso accennandone appena l’origine. Come la maggior parte degli

argomenti studiati a scuola, anche la tavola periodica risulta noiosa per gli studenti: un foglio

di carta su cui sono rappresentati gli elementi secondo un ordine piuttosto strano e di

difficile comprensione non è di certo una cosa che entusiasma molto. Entusiasmo che viene

spento ancor di più quando ci si rende conto che di quei 118 elementi solo una decina sono

quelli che abbiamo toccato o osservato al loro stato fondamentale. Sentiamo parlare di

Calcio e Potassio, molto importanti per il nostro organismo e presenti in molti cibi, ma in

quanti hanno mai visto questi due elementi al loro stato fondamentale di metalli? Abbiamo a

che fare ogni giorno con l’Ossigeno, lo abbiamo tutto intorno e lo respiriamo, ma non lo

possiamo vedere. La tavola quindi si allontana da noi, diventa qualcosa di esclusivamente

teorico con cui difficilmente possiamo avere a che fare. Una riflessione più attenta però ci

porta a stravolgere queste ultime considerazioni: gli elementi infatti sono tutt’intorno a noi,

gli oggetti che usiamo sono fatti di elementi, l’aria che respiriamo è fatta di elementi, noi

stessi siamo fatti da elementi; gli stessi elementi che vediamo scritti su quel foglio di carta

tanto studiato. È proprio così che la tavola si avvicina al nostro mondo e ne diventa una sorta

di schema regolatore della materia. Tutta la materia esistente nell’universo è composta da

elementi che vengono racchiusi in uno schema, ideato quasi 150 anni fa, secondo una

semplice sequenza naturale. La tavola periodica infatti non è una invenzione dell’uomo, ma

è semplicemente un ordine naturale. Gli elementi non possono essere disposti in altro modo

se non come la natura li ha creati. La tavola quindi non è altro che un geniale supporto

visuale, che riesce a racchiudere, seguendo questo ordine naturale, tutte le caratteristiche

degli elementi utili ai chimici, i quali, tra l’altro, non la sfruttano e consultano così spesso

come si potrebbe pensare. La tavola assume quindi un simbolismo straordinario in quanto

grazie agli elementi racchiude dentro di sé l’intera civiltà dell’uomo: la vita, la tecnologia, la

storia e la geografia, la letteratura e l’arte, la lingua. Il sistema periodico, mettendo uno di

fianco all’altro i vari elementi, mette in relazione l’intera esistenza, meglio di una

enciclopedia e seguendo semplicemente un ordine naturale. Primo Levi, chimico torinese

divenuto famoso per aver scritto il romanzo autobiografico “Se questo è un uomo” riguardo 3

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la sua esperienza nel campo di concentramento di Auschwitz, scrive ne “Il sistema

periodico”:

“Comprendere la materia è necessario per comprendere l’universo e noi stessi: e quindi il

Sistema Periodico di Mendeleev *...+ era una poesia.”

L’autore, salvatosi dai campi di concentramento grazie alla sua professione di chimico,

spiega in questa frase quanto sia importante conoscere gli elementi per comprendere a

fondo l’esperienza umana e l’intero sistema dell’universo. Nel libro “Il sistema periodico”

Primo Levi racconta la sua storia, prima e dopo la deportazione, mediante 21 aneddoti: per

ognuno di questi aneddoti l’autore assegna un elemento caratteristico. In ogni storia

l’elemento associato assume una funzione diversa come ha assunto una funzione diversa

nell’intera storia dell’uomo. L’Argon quindi rappresenta la famiglia di Primo Levi, piuttosto

restia alle relazioni proprio come il gas verso altri elementi; oppure il Ferro racconta di una

sua forte amicizia, quasi indistruttibile come il metallo; fino ad arrivare a raccontare la storia

di un atomo di Carbonio, l’elemento della vita, che dopo essere stato parte di una roccia

calcarea, di essere stato bruciato e trasformato in anidride carbonica, di essere entrato a far

parte di una struttura complessa come il glucosio, diventa parte di una cellula nervosa del

cervello di Primo Levi, proprio quella cellula addetta alla scrittura. In questi 21 racconti

l’autore sembra ripetere quello detto fino ad ora: gli elementi sono tutt’intorno a noi, sia in

senso materiale sia in senso simbolico e il sistema periodico racchiude dentro di sé qualsiasi

esperienza e qualsiasi conoscenza. Con questo lavoro si vuole quindi affrontare il sistema

periodico sia dal punto di vista chimico, studiandone la struttura e le caratteristiche, sia dal

punto di vista simbolico, studiando alcuni elementi in particolare che caratterizzano la storia,

la letteratura, la tecnologia e la vita dell’uomo. 4

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Il sistema periodico

Il sistema periodico è uno schema con il quale vengono ordinati tutti i 118 elementi chimici

conosciuti, sulla base del loro numero atomico (numero di protoni nel nucleo, chiamato Z),

della loro configurazione elettronica e delle loro proprietà fisiche.

Come si osserverà in seguito, la tavola periodica così come la conosciamo oggi è stata ideata

dal chimico russo Dmitrii Mendeleev nel 1869. Mendeleev dispose gli elementi allora

conosciuti secondo un ordine progressivo di massa atomica, mettendo in varie colonne gli

elementi con caratteristiche chimiche comuni. Lo sviluppo scientifico successivo ha

confermato la validità della tavola di Mendeleev, consentendo così alla tavola di essere

ancora oggi uno strumento fondamentale per ogni chimico. Con il passare degli anni la

tavola si è leggermente modificata rispetto alla versione del russo principalmente a causa del

fatto che sono stati scoperti circa 60 nuovi elementi negli ultimi 120 anni.

La tavola periodica moderna prevede la sistemazione dei 118 elementi secondo il loro

numero atomico. Il numero atomico (chiamato Z) corrisponde al numero di protoni presenti

nel nucleo dell’elemento. Osservando l’aspetto e il comportamento chimico si possono

distinguere fin da subito 3 categorie di elementi:

• Metalli
• Non metalli
• Semimetalli

I metalli sono la maggior parte degli elementi, circa 90 elementi, e costituiscono tutta la

parte sinistra della tavola; sono tutti solidi a temperatura ambiente ad eccezione del 5

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Mercurio che si presenta sotto forma di liquido. Sono considerati metalli anche gli elementi

transuranici, cioè con numero atomico maggiore dell’uranio (93); questi elementi sono stati

sintetizzati tutti in laboratorio mediante reattori nucleari o acceleratori di particelle. A causa

del loro enorme peso atomico questi elementi sono molto instabili e tendono decadere in

qualche elemento più “leggero”, proprio per questo motivo per alcuni di questi è molto

complicato stabilirne l’aspetto e le relative proprietà fisiche e chimiche. I non metalli, circa

20 elementi, costituiscono la parte destra della tavola periodica; per la maggior parte sono in

fase gassosa, come gli alogeni e i gas nobili, ma fanno parte dei non metalli anche elementi

solidi fondamentali per la vita come Carbonio e Fosforo. I semimetalli, infine, sono quegli

elementi che presentano caratteristiche in comune tra metalli e non metalli; nella tavola

periodica si trovano infatti nella parte destra della tavola proprio tra i due gruppi principali di

elementi.

La configurazione elettronica

Per comprendere al meglio le ulteriori divisioni e classificazioni riscontrabili nella tavola

periodica, è necessario introdurre il concetto di configurazione elettronica. Per

configurazione elettronica si intende la disposizione degli elettroni di un atomo nei suoi

orbitali atomici. La meccanica quantistica infatti conferma che gli elettroni non sono liberi di

girare intorno al nucleo in tutto lo spazio disponibile, ma, al contrario, assumono delle

posizioni ben precise in base all’energia che possiedono. Heisenberg nel suo “principio di

indeterminazione” afferma che non è possibile stabilire sia la velocità sia la posizione di un

elettrone: Schrödinger studiò quindi un’equazione in grado di stabilire la posizione nello

spazio intorno al nucleo degli elettroni. Dal risultato dell’equazione di Schrödinger si

ottengono delle funzioni d’onda, indicate con la lettera Ψ (psi), che indicano lo stato di ogni

elettrone intorno al nucleo intorno al nucleo. Poiché Ψ non ha un significato fisico diretto, i

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fisici studiano Ψ che, calcolata per una determinata porzione di spazio, fornisce la

probabilità di trovare l’elettrone in quello spazio definito. Rappresentando tutti i punti per i

quali l’elettrone ha la massima probabilità di essere presente, si ottiene una figura

geometrica, simmetrica rispetto al nucleo, che rappresenta la “forma” dell’orbitale.

L’orbitale non è il contenitore all’interno del quale si muove l’elettrone, ma solo la zona più

probabile in cui si può trovare quest’ultimo. Ogni orbitale possiede una forma caratteristica,

un certo contenuto energetico e un orientamento specifico. Queste proprietà dell’orbitale

vengono definite e descritte dai cosiddetti numeri quantici. I numeri quantici sono 4:

• n

Numero quantico principale =

• Il numero quantico principale determina la distanza media dal nucleo dell’elettrone

(dimensione dell’orbitale) e di conseguenza anche l’energia dell’elettrone. Infatti

allontanandosi dal nucleo, cioè aumentando n, l’energia dell’elettrone aumenta, in

quanto il suo potenziale energetico aumenta. Il numero quantico principale può

assumere solo valori interi positivi crescenti partendo dall’1. 6

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• l

Numero quantico orbitale o secondario =

• Il numero quantico secondario indica la forma dell’orbitale atomico. Può assumere

tutti i valori interi compresi tra 0 e n-1. Ad ogni valore di l inoltre viene assegnata una

lettera caratteristica, che rappresenta il sottolivello energetico dell’orbitale. Per ogni

sottolivello energetico dell’orbitale vengono distribuiti gli elettroni dell’elemento,

secondo delle regole precise e in quantità caratteristiche per ogni forma di orbitale.

Si osservano 4 sottolivelli principali nella tavola periodica per valori di l compresi tra

0 e 4:

Sono possibili anche orbitali con valori maggiori di 3, tuttavia nella tavola periodica gli