Il sistema periodico di Mendeleev
Sul banco di laboratorio c'è una tavola periodica appesa al muro: più di cento caselle, ognuna con un simbolo. Perché sono disposte proprio così? E perché un chimico dell'Ottocento riuscì a prevedere elementi che nessuno aveva ancora visto? Alla fine della pagina sarai in grado di rispondere.
L'idea di Mendeleev
Verso il 1860 si conoscevano circa 60 elementi, ognuno con le sue proprietà, ma nessun ordine. Nel 1869 il chimico russo Dmitrij Mendeleev li dispose in ordine di massa atomica crescente e notò una cosa sorprendente: a intervalli regolari ricompaiono elementi con proprietà simili. Mise allora nella stessa colonna gli elementi con comportamento chimico analogo.
Un esempio: litio, sodio e potassio sono metalli teneri, argentei, che reagiscono vivacemente con l'acqua. In ordine di massa atomica crescente la sequenza è: Li (6,9), Be (9,0), F (19,0), Ne (20,2), Na (23,0), Mg (24,3), Cl (35,5), Ar (39,9), K (39,1), Ca (40,1), Br (79,9): le proprietà simili ricompaiono a intervalli regolari, separate da altri elementi, e Mendeleev mise uno sotto l'altro quelli affini. La figura è uno schema semplificato in chiave moderna: i gas nobili, per esempio, furono scoperti solo dopo il 1894.
Perché è utile? Perché non serve ricordare le proprietà di ogni elemento: basta sapere in quale colonna si trova.
Su quale criterio Mendeleev ordinò gli elementi nella sua tavola del 1869? Che cosa mise nella stessa colonna?
Su quale criterio Mendeleev ordinò gli elementi nella sua tavola del 1869? Che cosa mise nella stessa colonna?
Gli spazi vuoti e le previsioni
Mendeleev fece una scelta coraggiosa: quando un elemento non «entrava» in una colonna con proprietà coerenti, lasciò uno spazio vuoto, convinto che l'elemento esistesse ma non fosse ancora stato scoperto. Prevedeva anche le sue proprietà, ragionando per somiglianza con gli elementi vicini.
Lo stesso accadde per l'«eka-silicio» (massa circa $72$), scoperto nel 1886 come germanio. Perché queste previsioni contano? Una semplice lista di elementi non permette di prevedere nulla; una classificazione che indovina le proprietà di elementi sconosciuti coglie una regolarità reale della natura, ed è quindi una teoria scientifica verificabile.
Mendeleev lasciò spazi vuoti nella sua tavola e previde l'«eka-silicio», con massa atomica circa $72$ e proprietà intermedie tra stagno e silicio. Fu scoperto nel 1886…
Mendeleev lasciò spazi vuoti nella sua tavola e previde l'«eka-silicio», con massa atomica circa $72$ e proprietà intermedie tra stagno e silicio. Fu scoperto nel 1886 il germanio.
- a) Perché lasciare spazi vuoti fu una scelta importante?
- b) Perché la previsione di un elemento ancora ignoto rafforzò la validità della tavola?
Il gallio ($\text{Ga}$) fu previsto da Mendeleev come «eka-alluminio» con massa atomica circa $68$ e densità circa $5,9\ \text{g/cm}^3$. Il valore misurato è $69,7$ per…
Il gallio ($\text{Ga}$) fu previsto da Mendeleev come «eka-alluminio» con massa atomica circa $68$ e densità circa $5,9\ \text{g/cm}^3$. Il valore misurato è $69,7$ per la massa atomica e $5,91\ \text{g/cm}^3$ per la densità.
- a) Calcola l'errore percentuale della previsione sulla massa atomica.
- b) Valuta la qualità della previsione sulla densità.
- c) Spiega perché questo tipo di previsioni distingue una classificazione scientifica da un semplice elenco.
La tavola moderna: gruppi e periodi
Mendeleev dovette talvolta invertire l'ordine di massa atomica: mise il tellurio (massa circa $127{,}6$) prima dello iodio (circa $126{,}9$), perché le proprietà chimiche lo richiedevano: il tellurio somiglia a zolfo e selenio, lo iodio a cloro e bromo. Più tardi si scoprì la grandezza che spiega l'ordine giusto: il numero atomico $Z$, cioè il numero di protoni nel nucleo. Nella tavola moderna gli elementi sono ordinati per $Z$ crescente, e le inversioni scompaiono: la tavola è più coerente.
Esempio: il sodio (Na) è nella prima colonna e nella terza riga, quindi nel gruppo 1, periodo 3.
Nella tavola periodica moderna, come si chiamano le colonne e come le righe? Indica il gruppo e il periodo del sodio (Na), sapendo che è nella prima colonna e nella…
Nella tavola periodica moderna, come si chiamano le colonne e come le righe? Indica il gruppo e il periodo del sodio (Na), sapendo che è nella prima colonna e nella terza riga.
Mendeleev invertì in alcuni casi l'ordine di massa atomica crescente: per esempio mise il tellurio (massa circa $127,6$) prima dello iodio (massa circa $126,9$). a)…
Mendeleev invertì in alcuni casi l'ordine di massa atomica crescente: per esempio mise il tellurio (massa circa $127,6$) prima dello iodio (massa circa $126,9$).
- a) Spiega perché lo fece.
- b) Quale grandezza, scoperta in seguito, rende ragione di questo ordine nella tavola moderna?
- c) Perché la tavola attuale è più coerente di quella originale?
Metalli, non metalli e semimetalli
La tavola si può dividere in tre grandi zone, separate da una «scala» a zigzag.
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Metalli (a sinistra e al centro, la maggioranza): lucenti, buoni conduttori di calore ed elettricità, malleabili. Esempi: ferro (Fe), rame (Cu), sodio (Na).
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Non metalli (in alto a destra): opachi e cattivi conduttori. Esempi: zolfo (S), cloro (Cl), ossigeno (O).
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Semimetalli (lungo la scala): proprietà intermedie, come il silicio (Si), usato nei chip.
Classifica come metallo, non metallo o semimetallo ciascun elemento: ferro (Fe), zolfo (S), silicio (Si), rame (Cu), cloro (Cl).
Classifica come metallo, non metallo o semimetallo ciascun elemento: ferro (Fe), zolfo (S), silicio (Si), rame (Cu), cloro (Cl).
Le famiglie di elementi
Alcuni gruppi hanno un nome proprio.
| Gruppo | Famiglia | Esempi | Caratteristiche |
|---|---|---|---|
| 1 | metalli alcalini | Li, Na, K, Rb | molto reattivi, teneri, di bassa densità, reagiscono con l'acqua |
| 2 | metalli alcalino-terrosi | Be, Mg, Ca, Sr | reattivi, meno degli alcalini |
| 17 | alogeni | F, Cl, Br, I | non metalli molto reattivi |
| 18 | gas nobili | He, Ne, Ar, Kr | quasi inerti, non reagiscono |
Nel gruppo 1 la reattività cresce scendendo lungo la colonna: il potassio reagisce con l'acqua più vivacemente del litio. Perciò il rubidio, sotto il potassio, reagirà ancora più violentemente. Ecco la logica della previsione: stesso gruppo, quindi stesso comportamento, con una tendenza regolare.
Litio (Li), sodio (Na) e potassio (K) reagiscono tutti vivacemente con l'acqua, formando soluzioni basiche e idrogeno. a) In quale gruppo si trovano? b) Come si chiama…
Litio (Li), sodio (Na) e potassio (K) reagiscono tutti vivacemente con l'acqua, formando soluzioni basiche e idrogeno.
- a) In quale gruppo si trovano?
- b) Come si chiama questa famiglia?
- c) Prevedi il comportamento del rubidio (Rb), che sta sotto il potassio, e spiega su che cosa basi la previsione.
Gli elementi calcio (Ca), cloro (Cl), neon (Ne), magnesio (Mg), argon (Ar), bromo (Br) devono essere raggruppati in famiglie. a) Quali appartengono ai metalli…
Gli elementi calcio (Ca), cloro (Cl), neon (Ne), magnesio (Mg), argon (Ar), bromo (Br) devono essere raggruppati in famiglie.
- a) Quali appartengono ai metalli alcalino-terrosi?
- b) Quali agli alogeni?
- c) Quali ai gas nobili?
Un elemento X forma un ossido di formula $\text{X}2\text{O}$, reagisce violentemente con l'acqua ed è molto tenero, con densità minore di $1,5\ \text{g/cm}^3$. Un…
Un elemento X forma un ossido di formula $\text{X}_2\text{O}$, reagisce violentemente con l'acqua ed è molto tenero, con densità minore di $1,5\ \text{g/cm}^3$. Un elemento Y forma un composto $\text{YCl}_2$ ed è meno reattivo di X.
- a) In quali gruppi collocheresti X e Y?
- b) Proponi due possibili elementi per ciascuno.
- c) Spiega come usi la tavola periodica per giungere a queste conclusioni.
Vuoi concludere? Torniamo all'inizio: le caselle sono disposte per numero atomico crescente e per colonne di proprietà simili; per questo la tavola permise di prevedere elementi ancora ignoti.
In sintesi
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Nel 1869 Mendeleev ordinò gli elementi per massa atomica crescente e mise nella stessa colonna quelli con proprietà simili (periodicità).
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Lasciò spazi vuoti e previde le proprietà di elementi ignoti (gallio, germanio): le conferme rafforzarono la tavola.
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Nella tavola moderna l'ordine è per numero atomico $Z$; le colonne sono i gruppi (1-18), le righe i periodi (1-7).
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Gli elementi si dividono in metalli, non metalli e semimetalli.
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Le famiglie principali: alcalini (gruppo 1), alcalino-terrosi (2), alogeni (17), gas nobili (18).
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Dalla posizione di un elemento si prevede il suo comportamento.