La tavola periodica è una di quelle immagini classiche che trovi in molti laboratori e aule di scienze. È un’immagine che quasi tutti hanno visto in qualche momento della loro vita.
Chi non ricorda la tavola periodica messa nella canzone dall’americano Tom Lehrer, professore di matematica ad Harvard che fu anche cantautore e satirico. La sua canzone, The Elements, include tutti gli elementi che erano conosciuti al momento della scrittura nel 1959.
Da allora, diversi nuovi elementi si sono aggiunti alla tavola periodica.
Ma cosa mostra esattamente la tavola periodica?
In breve, è un tentativo di organizzare la raccolta degli elementi – tutti i composti puri conosciuti fatti da un unico tipo di atomo.
Ci sono due modi per vedere come è costruita la tavola periodica, basata o sulle proprietà osservate degli elementi in essa contenuti, o sulla costruzione subatomica degli atomi che formano ciascun elemento.
Gli elementi della tavola periodica
Quando gli scienziati hanno iniziato a raccogliere elementi nel 1700 e 1800, identificandone lentamente di nuovi nel corso di decenni di ricerca, hanno iniziato a notare modelli e somiglianze nelle loro proprietà fisiche. Alcuni erano gas, altri erano metalli lucidi, altri reagivano violentemente con l’acqua e così via.
All’epoca in cui gli elementi furono scoperti per la prima volta, la struttura degli atomi non era nota. Gli scienziati hanno iniziato a cercare modi per sistemarli sistematicamente in modo che proprietà simili potessero essere raggruppate insieme, proprio come qualcuno che colleziona conchiglie potrebbe tentare di organizzarle per forma o colore.
Il compito è stato reso più difficile perché non tutti gli elementi erano noti. Ciò ha lasciato delle lacune, che hanno reso la decifrazione degli schemi un po’ come cercare di assemblare un puzzle con i pezzi mancanti.
Diversi scienziati hanno escogitato diversi tipi di tabelle. La prima versione della tabella attuale è generalmente attribuita al professore di chimica russo Dmitri Mendeleev nel 1869, con una versione aggiornata nel 1871.
È importante sottolineare che Mendeleev ha lasciato delle lacune nella tabella in cui pensava che gli elementi mancanti dovessero essere collocati. Nel tempo, queste lacune sono state colmate ed è emersa la versione finale come la conosciamo oggi.
Gli atomi
Per capire veramente la struttura finale della tavola periodica, dobbiamo capire qualcosa sugli atomi e su come sono costruiti. Gli atomi hanno un nucleo centrale (nucleo) costituito da particelle più piccole chiamate protoni e neutroni.
È il numero di protoni che dà a un elemento il suo numero atomico, il numero che generalmente si trova nell’angolo in alto a sinistra di ogni casella nella tavola periodica.
La tavola periodica è ordinata per numero atomico crescente (da sinistra a destra, dall’alto in basso). Si va dall’elemento 1 (idrogeno H) in alto a sinistra, all’elemento 118 appena approvato (oganesson Og) in basso a destra.
Il numero di neutroni nel nucleo può variare. Questo dà origine a diversi isotopi per ogni elemento.
Ad esempio, potresti aver sentito parlare della datazione al carbonio-14 per determinare l’età degli oggetti. Questo isotopo è una versione radioattiva del normale carbonio C (o carbonio-12) che ha due neutroni in più.
Ma perché c’è una scatola separata di elementi sotto quella principale, e perché la tavola principale ha una forma strana, con una parte mancante nella parte superiore? Ciò dipende da come sono disposti gli altri componenti dell’atomo, gli elettroni.
Gli elettroni
Tendiamo a pensare agli atomi costruiti un po’ come le cipolle, con sette strati di elettroni chiamati “gusci”, etichettati come K, L, M, N, O, P e Q, che circondano il nucleo centrale.
Ogni riga nella tavola periodica corrisponde in qualche modo al riempimento di uno di questi gusci di elettroni. Ogni guscio ha dei sottogusci e l’ordine in cui i gusci/sottogusci vengono riempiti si basa sull’energia richiesta, sebbene sia un processo complicato. Torneremo su questo più avanti.
In termini semplici, il primo elemento in ogni riga inizia un nuovo guscio contenente un elettrone, mentre l’ultimo elemento in ogni riga ha due (o uno per la prima riga) dei subshell nel guscio esterno completamente occupati. Queste differenze negli elettroni spiegano anche alcune delle somiglianze nelle proprietà tra gli elementi.
Con uno o due subshell nello strato esterno pieni di elettroni, gli ultimi elementi di ogni riga sono abbastanza non reattivi, poiché non ci sono buchi o lacune nel guscio esterno per interagire con altri atomi.
Ecco perché gli elementi dell’ultima colonna, come l’elio He, il neon (Ne), l’argon (Ar) e così via, sono chiamati gas nobili (o gas inerti). Sono tutti gas e sono “nobili” perché raramente si associano ad altri elementi.
Al contrario, gli elementi della prima colonna, ad eccezione dell’idrogeno, sono chiamati metalli alcalini. Gli elementi della prima colonna hanno un carattere simile al metallo, ma con un solo elettrone nel guscio esterno, sono molto reattivi poiché questo elettrone solitario è molto facile da coinvolgere nel legame chimico. Quando vengono aggiunti all’acqua, reagiscono rapidamente per formare una soluzione alcalina (basica).
Ogni guscio può ospitare un numero crescente di elettroni. Il primo guscio (K) ne contiene solo due, quindi la prima riga della tavola periodica ha solo due elementi: idrogeno (H) con un elettrone ed elio (He) con due.
Il secondo guscio (L) contiene otto elettroni. Così la seconda riga della tavola periodica contiene otto elementi, con uno spazio lasciato tra l’idrogeno e l’elio per accogliere i sei in più.
Il terzo guscio (M) contiene 18 elettroni, ma la terza fila ha ancora solo otto elementi. Questo perché i dieci elettroni in più non vengono aggiunti a questo strato fino a quando i primi due elettroni non vengono aggiunti al quarto guscio (N) (vedremo perché, più avanti).
Quindi il divario viene ampliato nella quarta fila per accogliere i dieci elementi aggiuntivi. I dieci composti extra nella sezione centrale sono chiamati metalli di transizione.
Il quarto guscio contiene 32 elettroni, ma ancora una volta gli elettroni extra non vengono aggiunti a questo guscio fino a quando alcuni non sono stati aggiunti anche al quinto (O) e al sesto (P) guscio, il che significa che sia la quarta che la quinta riga contengono 18 elementi.
Per le due righe successive (sesta e settima), invece di espandere ulteriormente la tabella lateralmente per includere questi 14 elementi extra, che la renderebbero troppo larga per essere facilmente leggibile, sono stati inseriti come un blocco di due righe, chiamato lantanoidi (elementi da 57 a 71) e attinoidi (elementi da 89 a 103), sotto la tabella principale.
Puoi vedere dove si adatterebbero se la tavola periodica fosse allargata, se guardi i due quadrati in basso nella terza colonna della tabella sopra.
Le colonne della tavola periodica
C’è un altro fattore di complicazione che porta alla forma finale della tavola. Quando gli elettroni vengono aggiunti a ogni strato, vanno in diversi subshell (o orbitali), che descrivono le posizioni intorno al nucleo dove è più probabile che si trovino. Questi sono conosciuti con le lettere s, p, d e f.
Le lettere usate per gli orbitali derivano in realtà dalle descrizioni dell’emissione o dell’assorbimento di luce dovuto agli elettroni che si muovono tra gli orbitali: acuto, principale, diffuso e fondamentale.
Ogni guscio ha la propria configurazione di sottogusci denominati da 1s a 7p, che fornisce il numero totale di elettroni in ciascun guscio man mano che avanziamo nella tavola periodica.
Come accennato in precedenza, l’ordine in cui le subshell si riempiono di elettroni non è così semplice. Puoi vedere l’ordine in cui si riempiono dall’immagine qui sotto, basta seguire l’ordine come leggeresti da sinistra a destra.
C’è una tavola periodica interattiva che illustra bene anche la sequenza di riempimento se fai clic sugli atomi.
Gli elementi all’interno di una colonna generalmente hanno proprietà simili, ma in alcuni punti anche gli elementi affiancati possono essere simili. Ad esempio, nei metalli di transizione il gruppo di metalli preziosi attorno a rame (Cu), argento (Ag), oro (Au), palladio (Pd) e platino (Pt) sono abbastanza simili.
La maggior parte degli elementi esistenti con numeri atomici elevati, inclusi i quattro elementi superpesanti aggiunti nel 2016, sono molto instabili e non sono mai stati rilevati o isolati dalla natura.
Vengono creati e analizzati in quantità minuscole in condizioni artificiali. Teoricamente, potrebbero esserci ulteriori elementi oltre i 118 ora conosciuti (ci sono ulteriori suborbitali g, h e i), ma non sappiamo ancora se qualcuno di questi sarebbe abbastanza stabile da essere isolato.
Vari design della tavola periodica
La tavola periodica ha visto molte versioni colorate e informative create nel corso degli anni.
Una versione artistica con artwork originali per ogni elemento commissionata dal Royal Australian Chemical Institute per celebrare l’Anno Internazionale della Chimica nel 2011.
La versioni interattiva creata dalla Royal Society of Chemistry (e possono anche essere scaricate come app).
In sintesi, la tavola periodica è la tassonomia del chimico di tutti gli elementi. Il suo trionfo è che è ancora molto rilevante per gli scienziati, pur diventando parte integrante della cultura popolare.
Autore
Mark Blaskovich, Università del Queensland
