Appunti di chimica generale e inorganica su atomi, molecole e ioni

DETERMINAZIONE DELLA MASSA ATOMICA E DELL'ABBONDANZA ISOTOPICA

Le masse degli isotopi e le loro abbondanze percentuali si determinano sperimentalmente usando uno spettrometro di massa. Ad eccezione del carbonio-12, la cui massa per definizione è esattamente 12 u, le masse isotopiche non hanno valori interi. Le masse isotopiche, comunque, sono sempre molto vicine al valore del numero di massa dell'isotopo.

IL PESO ATOMICO E PESO MOLECOLARE

Il peso atomico (o massa atomica) dell'elemento è definito come il rapporto della massa atomica media di un elemento con 1/12 della massa di un atomo di C.

Peso atomico = (abbondanza % dell'isotopo 1 * massa del primo isotopo + abbondanza % dell'isotopo 2 * massa del secondo isotopo) / 100

La massa atomica di un elemento è sempre più vicina alla massa dell'isotopo o degli isotopi più abbondanti. Il peso atomico di ogni elemento stabile è riportato nella tavola periodica. Nella

tavolaperiodica la casella di ogni elemento contiene il numero atomico, il simbolo dell'elemento e il suo peso atomico. Per gli elementi instabili (radioattivi) viene riportata fra parentesi la massa atomica o il numero di massa dell'isotopo più stabile. Il peso molecolare (o massa molecolare) di un composto si ricava dalla somma dei pesi atomici degli elementi che costituiscono la formula chimica del composto.

TAVOLA PERIODICA.

LE CARATTERISTICHE DELLA TAVOLA PERIODICA.

Le principali caratteristiche della tavola periodica sono le seguenti:

• Gli elementi sono sistemati in modo tale che quelli con proprietà chimico-fisiche simili si trovano in colonne verticali chiamate gruppi o famiglie. Nella tavola periodica i gruppi sono numerati da 1 a 8 e ogni gruppo è seguito da una lettera: A o B. I gruppi A sono spesso chiamati elementi dei gruppi principali e quelli B sono i gruppi degli elementi di transizione.
• Le righe orizzontali della tavola sono chiamate periodi.

Sono numerate a cominciare da 1 per il periodo che contiene solo H ed He. La tavola periodica può essere divisa in regioni diverse in funzione delle proprietà degli elementi. Gli elementi che si comportano da metalli sono contraddistinti dal colore viola, i non metalli sono colorati in giallo e gli elementi chiamati metalloidi appaiono in verde. Gli elementi hanno carattere sempre meno metallico man mano che ci si muove da sinistra verso destra lungo un periodo e i metalloidi giacciono lungo la linea di separazione fra metalli e non metalli.

A temperatura ambiente e pressione atmosferica, i metalli sono solidi (ad eccezione del mercurio), conducono l'elettricità, sono di solito duttili (possono essere ridotti in cavi sottili), malleabili (possono essere stirati in lamine sottili) e possono formare leghe (soluzioni di un metallo in un altro metallo).

Nella tavola periodica i non metalli si trovano al di sopra di una linea diagonale che congiunge il B al Te.

Una ampia gamma di proprietà

A temperatura ambiente, alcuni sono solidi (carbonio, zolfo, fosforo e iodio), dieci sono gassosi (idrogeno, ossigeno, azoto, fluoro, cloro, elio, neon, argon, cripton e xenon) e uno, il bromo, è liquido. Ad eccezione del carbonio quando è sotto forma di grafite, i non metalli non conducono la corrente elettrica, una delle principali caratteristiche che li distingue dai metalli.

Alcuni degli elementi vicini alla linea diagonale che va dal boro (B) al tellurio (Te) hanno proprietà che rendono difficile la loro classificazione in metalli o non metalli. Chimici li chiamano metalloidi, o talvolta, semimetalli. Vengono inclusi in questa categoria solo B, Si, Ge, As, Sb e Te.

UN BREVE SGUARDO ALLA TAVOLA PERIODICA E AGLI ELEMENTI CHIMICI.

Si descrivono ora i gruppi della tavola periodica:

Gli elementi nella colonna all'estrema sinistra, il gruppo 1A, sono conosciuti come metalli alcalini (ad eccezione di H). Tutti i metalli

Alcalini sono solidi a temperatura ambiente e sono molto reattivi. Reagiscono con l'acqua per dare idrogeno e soluzioni alcaline. A causa della loro reattività, questi metalli si trovano in natura solo sotto forma di composti.

Il gruppo 2A è composto interamente di metalli che in natura si trovano solo combinati. Ad eccezione del berillio, questi elementi reagiscono con l'acqua per dare soluzioni alcaline e la maggior parte dei loro ossidi forma soluzioni alcaline; sono conosciuti come metalli alcalino-terrosi.

L'alluminio, un elemento di grande importanza, si trova nel gruppo 3A. Questo elemento e altri tre (gallio, indio e tallio) sono metalli, mentre il boro (B) è un metalloide. Come metalloide, il boro ha una chimica differente da quella degli altri elementi del gruppo 3A, che sono tutti metalli. Nonostante questo, tutti gli elementi del gruppo formano composti con formule analoghe come BCl e AlCl e questa somiglianza li identifica come membri.

dello3 3stesso gruppo della tavola periodica;

Ad iniziare dal gruppo 4A i gruppi contengono sempre più non metalli. II gruppo 4Acontiene un non metallo, il carbonio (C), due metalloidi, il silicio (Si) e il germanio (Ge), edue metalli, lo stagno (Sn) e il piombo (Pb). A causa del cambiamento di comportamento danon metallico a metallico, le proprietà degli elementi di questo gruppo hanno più variazioniche negli altri gruppi. Ma vi sono comunque somiglianze: anche questi elementi formanocomposti con formule analoghe come CO , SiO , GeO e PbO . Uno degli aspetti più2 2 2 2interessanti della chimica dei non metalli è che un particolare elemento può esistere in molteforme diverse e distinte, dette allotropi, ognuna delle quali ha le sue proprietàcaratteristiche. Il carbonio ha diversi allotropi, di cui i più conosciuti sono la grafite e ildiamante. La grafite è formata da fogli in cui ogni atomo di carbonio è legato

Ad altri tre. Poiché questi fogli sono legati debolmente l'uno all'altro, uno strato scivola sull'altro e questo spiega perché la grafite è morbida. Nel diamante ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro che occupano i vertici di un tetraedro e questo motivo si estende attraverso tutto il solido. Questa struttura rende il diamante estremamente duro, più denso della grafite e meno reattivo;

Nel gruppo 5A, l'azoto si presenta in natura come N₂. Si è cercato a lungo di sintetizzare dei composti a partire dall'azoto atmosferico, un processo chiamato fissazione dell'azoto. La natura compie questa trasformazione facilmente nelle piante, ma in laboratorio e nei processi industriali si devono usare condizioni molto severe (temperature elevate) per fare in modo che N₂ reagisca con altri elementi (per esempio, H₂ per formare NH₃, l'ammoniaca).

Come nel gruppo 4A, anche nel gruppo 5A vi sono non metalli (N e P),

metalloidi (As e Sb), e un metallo (Bi). Nonostante questo, tutti gli elementi del gruppo formano composti analoghi, come gli ossidi NO, PO, ASO₂, LO₂, e SO₂.

L'ossigeno si trova in cima al gruppo 6A. Come nel gruppo 5A, gli elementi del secondo e del terzo periodo del gruppo 6A hanno strutture diverse. L'ossigeno è una molecola di ossigeno di tipo biatomico come l'azoto, ma a differenza di quest'ultimo ha un allotropo, la molecola triatomica di ozono O₃. Nel gruppo 6A, ancora una volta osserviamo variazioni nelle proprietà lungo il gruppo. L'ossigeno, lo zolfo e il selenio sono non metalli, il tellurio è un metalloide e il polonio è un metallo. Sono simili, tuttavia, per le loro proprietà chimiche tutti formano composti contenenti ossigeno, come SO₂, SeO₂, TeO₂, e sodio, quali Na₂O, Na₂S, Na₂Se e Na₂Te.

All'estrema destra della tavola periodica vi sono due gruppi costituiti interamente da non metalli. Gli elementi del gruppo 7A,

Cioè fluoro, cloro, bromo, iodio e il radioattivo astato, sono non metalli ed esistono tutti come molecole biatomiche. A temperatura ambiente, il fluoro (F) e il cloro (Cl) sono gas. Il bromo (Br) è liquido e lo iodio (I) è solido, ma dei vapori di bromo e di iodio sono chiaramente visibili al di sopra del liquido e del solido. Gli elementi del gruppo 7A sono fra gli elementi più reattivi. Si combinano tutti violentemente con i metalli alcalini per formare sali. Il nome per questo gruppo è alogeni;

Gli elementi del gruppo 8A (elio, neon, argon, cripton, xenon e il radioattivo radon) sono i meno reattivi. Sono tutti gas e nessuno di loro si trova in abbondanza sulla Terra o nell'atmosfera terrestre. Un nome comune per questo gruppo di elementi, i gas nobili, denota la loro generale assenza di reattività;

Fra i gruppi 2A e 3A c'è una serie di elementi chiamati elementi di transizione. Questi riempiono i gruppi B (dall'1B).

all'8B) nella zona centrale della tavola periodica, dal quarto al settimo periodo. Sono tutti metalli e 13 di essi sono fra i primi 30 elementi per abbondanza sulla crosta terrestre. La maggior parte si presenta in natura in combinazione con altri elementi, ma alcuni come il rame (Cu), l'argento (Ag), l'oro (Au) e il platino (Pt) sono molto meno reattivi e si possono trovare allo stato elementare.

Nelle due righe in fondo alla tavola periodica si trovano i lantanidi, cioè gli elementi compresi fra il lantanio e l'afnio, e gli attinidi, gli elementi compresi fra l'attinio e il rutherfordio. I lantanidi sono spesso indicati come terre rare.

LE MOLECOLE, I COMPOSTI E LE FORMULE.

Una molecola è la più piccola unità identificabile in cui una sostanza pura che può essere divisa, mantenendo inalterate la composizione e le proprietà chimiche della sostanza stessa. Tali sostanze sono formate da molecole identiche che consistono di

atomi di due o più elementi strettamente legati fra loro.

LE FORMULE.

La formula molecolare descrive la composizione delle molecole, nel senso che indica che in ogni molecola sono presenti degli atomi ben precisi, ma non fornisce alcuna informazione strutturale. L'informazione strutturale, cioè la descrizione del modo in cui gli atomi sono legati e di come si dispongono nello spazio è tuttavia importante, perché aiuta a comprendere come una molecola interagisce con le altre. Per fornire qualche informazione strutturale, è utile scrivere la formula estesa, che mette in evidenza come certi atomi siano legati tra loro. La formula di struttura invece, fornisce informazioni strutturali più dettagliate in quanto mostra come gli atomi siano legati tra loro nella molecola. Le linee rappresentano i legami tra gli atomi all'interno di una molecola.

I MODELLI MOLECOLARI.

Le proprietà chimich