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Introduzione Sistema Periodico, mondo da esplorare - Tesina
“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 utime 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 sul 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 racchiusti in uno schema, ideato quasi 150 anni fa, secondo una semplice sequenza naturale. La tavola periodica degli elementi 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 se 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 Il sistema periodico: un mondo da esplorare, Agazzi Cristian 5^B CM 4 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 alla 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 se 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 caratterische, sia dal punto di vista simbolico, studiando alcuni elementi in particolare che caratterizzano la storia, la letteratura, la tecnologia e la vita dell’uomo.
Collegamenti
Sistema Periodico, mondo da esplorare - Tesina
Chimica - Tavola periodica e proprietà.
Italiano - Simbolismo.
Storia - I vari contesti storici.
PROPRIETÀ PERIODICHE
Osservando la tavola periodica i chimici si sono resi conto che gli elementi oltre ad essere
ordinati tramite il numero atomico e secondo la configurazione elettronica crescente, sono
ordinati anche secondo delle proprietà fisiche e chimiche particolari. Queste proprietà
variano lungo la tavola periodica seguendo i periodi e i gruppi, cioè spostandosi lungo un
periodo o scendendo lungo un gruppo queste proprietà variano in modo definito e preciso.
Le principali proprietà periodiche sono 4:
Raggio atomico
È la distanza tra il nucleo di un atomo in forma
neutra e stabile (non ioni o isotopi instabili) e
l’elettrone più lontano nell’orbitale più esterno. Il
raggio atomico tende a diminuire spostandosi
lungo il periodo da sinistra a destra, mentre
tende ad aumentare scendendo nel gruppo.
Generalmente viene misurato in picometri (pm) o
in angstrom (Å).
Energia di ionizzazione
È l’energia minima richiesta per allontanare da un atomo un elettrone e portarlo a
distanza infinita.
In sostanza si può riassumere con la
reazione di esempio: + −
X + energy di ionizzazione → X + e
L’energia di ionizzazione tende ad
aumentare lungo il periodo da sinistra a
destra, mentre tende a dominuire
scendendo nel gruppo. Essendo una
forma di energia può essere misurata in
elettronvolt (eV) o in kJ/mol. 13
IL SISTEMA PERIODICO: Agazzi Cristian 5^B CM
UN MONDO DA ESPLORARE
Elettronegatività
È la misura della capacità di un atomo di attrarre a se degli elettroni quando prende
parte a un legame chimico. Questa definizione è stata data da Pauling che propose
anche una scala di elettronegatività usata ancora oggi. Pauling attribuì all’Idrogeno
un valore di riferimento di 2,1 (senza unità di misura) e ricavò quindi per differenza i
valori di tutto gli altri elementi.
Grazie ai valori di elettronegatività si possono prevedere i tipi di legami chimici che si
possono formare tra due atomi di elementi diversi: infatti con elevate differenze di
elettronegatività tenderà a formarsi un legame ionico in quanto l’atomo più
elettronegativo strappa un elettrone all’atomo poco elettronegativo. L’elemento più
elettronegativo è il Fluoro (3,98/4,00) mentre quello meno elettronegativo è il
Francio (0,70); pertanto l’elettronegatività tende ad aumentare lungo il periodo da
sinistra a destra, mentre tende a diminuire scendendo nel gruppo. I gas nobili non
possiedono alcun
valore di
elettronegatività, in
quanto non hanno la
tendenza a formare
legami con altri atomi
visto che hanno una
configurazione
elettronica completa,
senza quindi nessun
orbitale libero.
Affinità elettronica
È l’energia liberata da un atomo neutro quando gli viene aggiunto un elettrone
formando così uno ione carico negativamente. In sostanza si può riassumere con la
reazione di esempio:
− −
X + e → X + energia (affinità elettronica)
Generalmente l’affinità elettronica assume valori negativi, in quanto il processo è
favorito energeticamente e provoca un rilascio di energia. Nonostante l'affinità
elettronica vari in maniera caotica nella tavola periodica, è possibile distinguere uno
schema: in generale i non metalli hanno affinità più negativa dei metalli, per cui 14
IL SISTEMA PERIODICO: Agazzi Cristian 5^B CM
UN MONDO DA ESPLORARE
tendono ad acquistare più facilmente un elettrone. Essendo una forma di energia è
misurata generalmente il kJ/mol.
STORIA
“la tavola periodica è una di quelle scoperte scientifiche che spiegano così tante cose da
indurre a credere che siano nate già perfettamente nelle mente del loro creatore, come se
gli fossero state rivelate in sogno. Venendo incontro a queste aspettative, Mendeleev
elaborò un mito secondo cui era proprio questo il modo in cui era giunto alla sua scoperta,
ma si tratta di una invenzione tardiva; in realtà, com’è ovvio, la tavola periodica non fu il
frutto di un sogno, bensì di lunghe riflessioni.” (Hugh Aldersey-williams, Favole periodiche)
Da secoli gli alchimisti annotavano le proprietà degli elementi conosciuti (fino al 1700 solo
una ventina) e dei composti focalizzandosi soprattutto sulla loro reattività e sulle
coincidenze matematiche. In questo modo ogni alchimista si creava una propria tavola in
base alle proprie esperienza e alle proprie intuizioni. All’inizio del 1700, con lo sviluppo del
metodo scientifico, i chimici crearono le
cosiddette “tavole di affinità”: queste tavole
erano in grado di fornire un quadro
schematico delle principali reazioni chimiche,
indicando la naturale somiglianza, cioè
l'affinità, fra due sostanze. Le sostanze
“fondamentali” venivano quindi posizonate
nella prima riga; al di sotto si trovavano le
sostanze “secondarie”, ordinate secondo la
loro affinità (cioè la capacità di reagire)verso
la sostanza fondamentale. Era un primo
tentativo di schematizzazione del mondo
della chimica. Questo tentativo però restava molto legato alla alchimia, infatti le sostanze
chimiche (sia elementi sia composti) venivano indicate mediante i tradizionali simboli
alchemici.
Nel 1789, dopo 20 anni di ricerche, Antoine Lavoisier organizzò i 33
elementi allora conosciuti in una lista raggruppandoli in gas, metalli,
non-metalli e terrosi. Lavoisier creò questa lista basandosi sulla
definizione moderna di “elemento” da lui proposta:
"Se noi attribuiamo al nome di elementi o di principi dei corpi l'idea
dell'ultimo termine al quale giunge l'analisi, tutte le sostanze che
non abbiamo potuto decomporre con alcun mezzo sono per noi
elementi; non che noi possiamo essere sicuri che questi corpi 15
IL SISTEMA PERIODICO: Agazzi Cristian 5^B CM
UN MONDO DA ESPLORARE
semplici non siano essi stessi composti di due o anche di più gran numero di principi, ma
poiché questi principi non si separano mai o, piuttosto, poiché noi non abbiamo alcun mezzo
per separarli, essi agiscono nei nostri confronti come dei corpi semplici, e noi non dobbiamo
supporli composti fino al momento in cui l'esperienza e l'osservazione non ce ne abbiano
fornito la prova." Lo stesso Lavoisier non era soddisfatto di questa sua definizione, tuttavia
gli va riconosciuto il merito di aver abbandonato definitivamente i concetti metafisici propri
dell’alchimia a favore di un rigore scientifico che caratterizzò tutto il 1700.
I primi anni del 1800 furono molto intensi dal punto di vista delle scoperte scientifiche, sia
per quanto riguarda la fisica sia per questo riguarda la chimica. Infatti nel giro di circa 20 anni
furono scoperti più di 20 nuovi elementi grazie al lavoro di molti chimici, sparsi per l’europa,
come l’inglese Humphry Davy, che scoprì 7 elementi sfruttando l’elettrolisi per mezzo della
pila di Alessandro Volta, e lo svedese Jacob Berzelius, che introdusse la scrittura attuale della
formula chimica al posto dell’intero nome dell’elemento (Cl=cloro, H=idrogeno, ecc..). Con
l’aumentare del numero di elementi conosciuti si osservò che diversi gruppi di tre elementi
chimicamente simili mostravano una interessante relazione matematica e fisica: il peso
atomico dell’elemento mediano è uguale alla media dei pesi atomici degli altri due elementi.
Il tedesco Wolfgang Döbereiner scoprì che esistevano ben 5 gruppi che presentavano questa
relazione:
Litio – Sodio – Potassio
Calcio – Stronzio – Bario
Fosforo – Arsenico – Antimonio
Zolfo – Selenio – Tellurio
Cloro – Bromo – Iodio
Queste triadi si possono ritrovare ancora nei periodi della moderna tavola periodica, a prova
del fatto che lo studio degli elementi sia dal punto di vista chimico sia dal punto di vista
fisico è fondamentale. Seguendo questo modello, cioè osservando i pesi atomici, i chimici
arrivarono ad identificare dieci triadi, tre gruppi da quattro elementi e uno da cinque. Nel
1857 Jean Baptiste Dumas pubblicò un lavoro in cui descriveva le relazioni fra i vari gruppi di
metalli senza però riuscire a costruire uno schema che li legasse tutti.
Nel 1862 il geologo francese Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois realizzò il primo vero
sistema periodico disponendo gli elementi in ordine di peso
atomico sotto forma di spirale continua attorno ad un cilidro
metallico. In questo modo gli elementi con proprietà simili
apparivano su linee verticali, mentre ruotando il cilindro
aumentava il peso atomico. Il lavoro del francese, noto come
“vita tellurica” poichè il Tellurio appariva al centro della spirale,
includeva qualche ione e qualche composto oltre agli elementi
chimici e, soprattutto, conteneva termini geologici poco
attendibili per i chimici. Proprio per questo motivo ricevette 16
IL SISTEMA PERIODICO: Agazzi Cristian 5^B CM
UN MONDO DA ESPLORARE
poche attenzioni fino al lavoro di Mendeleev di qualche anno dopo.
John Newlands, un chimico inglese, dispose i 56 elementi allora conosciuti (1863-1866) in
ordine di meso atomico crescente: osservò che proprietà fisiche e chimiche erano simili per
intervalli di 8 elementi analogamente a quanto accade per l’ottava nota nella scala
musicale. Questa legge delle ottave venne respinta dalla Chemical Society che si rifiutò di
pubblicare il lavoro di Newlands. Il chimico
comunque abbozzò una sua tavola periodica e
la utilizzò per predire l’esistenza di elementi
mancanti come Germanio, Gallio e Scandio.
Nel 1864 Gustavus Hinrichs, un chimico accademico nato in Danimarca e operante negli
Stati Uniti, pubblicò un sistema periodico a spirale basato su pesi e spettri atomici e
somiglianze chimiche. Hinrichs era intrigato dalle frequenze degli spettri atomici che, come
le distanze planetarie, mostravano rapporti numerici interi. Sulla base di ciò il danese
concluse che gli spettri atomici dovessero essere quindi una indicazione delle dimensioni
atomiche. Anche se le sue considerazioni non erano del tutto errate il modello fu
considerato cervellotico, vistoso e complicato; la sua personalita “colorata” e le idee
controverse hanno probabilmente ostacolato il riconoscimento e l’accettazione.
Un lavoro più completo e comprensibile rispetto a quello di Hinrichs, fu quello del chimico
tedesco Julius Lother Meyer. Nel 1864 infatti lo scienziato presentò
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