Esercizi: Configurazione, tavola periodica e proprietà

La tavola periodica assomiglia allo scaffale di una biblioteca: ogni riga è un periodo e ogni colonna è un gruppo, come mostrato nella figura.

Spiega che cosa hanno in comune le configurazioni elettroniche degli elementi di uno stesso gruppo e quale informazione dà il numero del periodo sulla configurazione di un elemento.

L'alluminio delle lattine di bibite ha la configurazione elettronica $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^1$.

1. a) In quale periodo della tavola si trova? (Suggerimento: guarda il livello più alto che contiene elettroni.)
2. b) Quanti elettroni di valenza possiede?
3. c) L'alluminio è nel gruppo $13$: quale relazione osservi tra questo numero di gruppo e gli elettroni di valenza?

Il litio ($Z = 3$) e il sodio ($Z = 11$) sono metalli alcalini così reattivi che in laboratorio si conservano immersi nell'olio, perché non entrino in contatto con l'aria.

1. a) Scrivi la configurazione elettronica di ciascuno.
2. b) Indica che cosa hanno in comune i loro gusci di valenza e in quale gruppo della tavola si trovano.

Il fluoro ($Z = 9$) di alcuni dentifrici e il cloro ($Z = 17$) delle piscine appartengono al gruppo $17$, quello degli alogeni.

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche dei due elementi.
2. b) Spiega, a partire da esse, perché si trovano nello stesso gruppo.

L'elio ($Z = 2$) che raffredda i magneti delle macchine per la risonanza magnetica degli ospedali e l'argon ($Z = 18$) che riempie le lampadine a filamento appartengono al gruppo $18$, quello dei gas nobili.

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche dei due gas.
2. b) Che cosa hanno di speciale i loro ultimi livelli?
3. c) Collega questa particolarità al fatto che i gas nobili formino a stento composti.

Un elemento si trova nel periodo $2$ e ha $4$ elettroni di valenza.

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Di quale elemento si tratta?
3. c) In quale gruppo della tavola è collocato?

Nella tavola periodica, i metalli sono collocati a sinistra e i non metalli a destra, come mostrato nella figura.

Per ciascuno di questi elementi indica se è un metallo o un non metallo e se gli risulta più facile perdere o acquistare elettroni:

1. a) il sodio, del gruppo $1$;
2. b) il cloro, del gruppo $17$.

La tavola periodica ordina gli elementi in ordine crescente di numero atomico $Z$. Spiega perché quest'ordine coincide con l'ordine in cui si riempiono gli orbitali, tenendo conto che ogni elemento ha un protone (e, se è neutro, un elettrone) in più rispetto al precedente.

Le capocchie dei fiammiferi contengono zolfo, la cui configurazione elettronica è $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^4$.

1. a) Deduci in quale periodo e in quale gruppo della tavola si trova lo zolfo.
2. b) Quanti elettroni gli mancano per completare il suo ultimo livello?
3. c) Prevedi quale ione formerà e indica la sua carica.

Un elemento è collocato nel gruppo $2$ e nel periodo $3$ della tavola periodica.

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica.
2. b) Di quale elemento si tratta? (Suggerimento: brucia con una luce bianca molto intensa e si usa nei fuochi di bengala e nei fuochi d'artificio.)
3. c) Prevedi lo ione che forma con facilità e scrivi il suo simbolo con la carica corrispondente.

L'alluminio (gruppo $13$) e il cloro (gruppo $17$) formano il composto $\text{AlCl}_3$, presente in alcuni antitraspiranti.

1. a) Prevedi lo ione che forma ciascun elemento, ragionando a partire dai suoi elettroni di valenza.
2. b) Usando le cariche di questi ioni, giustifica perché la formula è $\text{AlCl}_3$ e non $\text{AlCl}$.

Il sodio e il cloro sono nel periodo $3$, ma l'atomo di sodio è molto più grande di quello di cloro, come mostrato nella figura.

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche dei due elementi e verifica che i loro elettroni di valenza occupano lo stesso livello.
2. b) Spiega perché l'atomo di cloro è più piccolo, confrontando il numero di protoni che attraggono quel guscio di elettroni nei due casi.

Scendendo nel gruppo degli alcalini (litio, sodio, potassio), gli atomi diventano sempre più grandi, come mostrato nella figura.

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche dei tre elementi ($Z$: Li = 3, Na = 11, K = 19).
2. b) Spiega, osservando il numero di livelli occupati, perché il raggio atomico aumenta scendendo nel gruppo.

In un esperimento in classe si lasciano cadere pezzetti di litio, sodio e potassio sull'acqua: il litio sfrigola lentamente, il sodio scivola veloce sulla superficie e il potassio brucia con una fiamma di colore viola.

1. a) Ordina i tre metalli dal meno al più reattivo.
2. b) Spiega l'ordine tenendo conto della distanza dal nucleo a cui si trova l'elettrone di valenza in ciascun atomo e di quanto sia facile strapparlo.

Ordina in modo crescente di raggio atomico gli atomi di fluoro ($Z = 9$), cloro ($Z = 17$) e bromo ($Z = 35$). Giustifica la risposta ragionando su quanti livelli elettronici occupati ha ciascun atomo (il fluoro riempie fino al livello $2$, il cloro fino al $3$ e il bromo fino al $4$).

Due elementi sconosciuti hanno numeri atomici $Z = 3$ e $Z = 19$.

1. a) Scrivi le loro configurazioni elettroniche.
2. b) Deduci se sono nello stesso gruppo e dì qual è.
3. c) Prevedi una proprietà chimica che condividono.

Un elemento X ha la configurazione elettronica $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^1$.

1. a) Identificalo con l'aiuto della tavola periodica e deduci il suo periodo e il suo gruppo.
2. b) È un metallo o un non metallo? Quale ione formerà con facilità?
3. c) Prevedi la formula del composto che forma con l'ossigeno, che dà ioni $\text{O}^{2-}$, e giustificala.

Il raggio dell'atomo di sodio è di circa $0,190\ \text{nm}$, mentre quello del suo ione $\text{Na}^+$ è di soli $0,098\ \text{nm}$. Al contrario, l'atomo di cloro misura $0,099\ \text{nm}$ e il suo ione $\text{Cl}^-$ misura $0,181\ \text{nm}$, come mostrato nella figura.

1. a) Indica come cambia la dimensione di ciascun elemento quando diventa ione.
2. b) Spiega i due cambiamenti confrontando il numero di protoni e di elettroni prima e dopo la formazione degli ioni (puoi aiutarti con le configurazioni elettroniche).

Gli ioni $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ e $\text{Mg}^{2+}$ hanno tutti la stessa configurazione elettronica, come mostrato nella figura.

1. a) Scrivi questa configurazione.
2. b) Tuttavia, i loro raggi sono diversi: $0,065$; $0,098$; $0,133$; $0,140$ e $0,171\ \text{nm}$ (sono in disordine). Assegna ciascun raggio allo ione corrispondente e spiega il criterio utilizzato, tenendo conto che tutti hanno $10$ elettroni ma un diverso numero di protoni nel nucleo.

Nel gruppo degli alcalini, la reattività aumenta scendendo: il potassio reagisce con l'acqua molto più violentemente del litio. Nel gruppo degli alogeni accade esattamente il contrario: il fluoro è il più reattivo e scendendo nel gruppo la reattività diminuisce, come mostrato nella figura.

Spiega le due tendenze con una stessa idea: che cosa deve fare ciascuna famiglia con gli elettroni (perderli o acquistarli) per raggiungere la configurazione di gas nobile e a quale distanza dal nucleo si trova il suo guscio di valenza.

Il gesso delle pareti contiene un elemento X il cui ione $\text{X}^{2+}$ è isoelettronico con l'argon ($Z = 18$).

1. a) Calcola il numero atomico di X e identificalo con l'aiuto della tavola periodica.
2. b) Deduci il suo gruppo e il suo periodo.
3. c) Prevedi se sarà un metallo reattivo e ragiona su che cosa accadrebbe a un pezzetto di X se lo lasciassimo cadere nell'acqua (confrontalo con il sodio).

Il neon non forma mai composti chimici, ma il sodio e il cloro si combinano con facilità per dare il sale comune, $\text{NaCl}$.

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche dei tre elementi ($Z$: Ne = 10, Na = 11, Cl = 17).
2. b) Spiega perché il neon «non ha bisogno» di reagire.
3. c) Spiega perché il sodio e il cloro «hanno bisogno» l'uno dell'altro per raggiungere la configurazione di gas nobile.

Il litio, il sodio e il potassio si assomigliano molto tra loro, e lo stesso accade con il fluoro, il cloro e il bromo.

1. a) Scrivi le configurazioni elettroniche del Li ($Z = 3$), del Na ($Z = 11$) e del K ($Z = 19$) e indica che cosa si ripete nei loro gusci di valenza.
2. b) Spiega, a partire da questa ripetizione, perché le proprietà chimiche degli elementi si ripetono periodicamente percorrendo la tavola.

Cinque elementi dei periodi $2$, $3$ e $4$ hanno raggi atomici approssimativi di $0,064$; $0,099$; $0,155$; $0,190$ e $0,235\ \text{nm}$. Si tratta di fluoro, cloro, litio, sodio e potassio, ma non si sa quale sia quale.

1. a) Assegna ogni raggio al suo elemento ragionando con le due tendenze periodiche (come cambia il raggio procedendo lungo un periodo e scendendo lungo un gruppo).
2. b) Ordina i cinque elementi per numero atomico crescente e spiega come si combinano le due tendenze percorrendo la tavola.

Sfida del tema. In che modo la nube elettronica degli atomi condiziona le proprietà dei materiali che usiamo ogni giorno? Collega la struttura atomica con il mondo macroscopico seguendo queste fasi:

1. Configurazione e periodicità: Scegli due metalli domestici comuni: alluminio (carta stagnola) e rame (filo elettrico). Scrivi le loro configurazioni elettroniche nello stato fondamentale, collocali nella tavola periodica (gruppo e periodo) e individua i loro elettroni di valenza.

2. Misura casalinga e incertezza: Prendi un foglio rettangolare di carta di alluminio. Misura la sua lunghezza e larghezza con un righello ($\pm 0,1\text{ cm}$) e la sua massa con una bilancia da cucina ($\pm 1\text{ g}$). Con lo spessore commerciale tipico ($0,0016\text{ cm}$, da considerare esatto), calcola il volume e la densità sperimentale con il suo margine di incertezza ($\rho \pm \Delta\rho$).

3. Trattamento di dati ufficiali: Consulta sul sito di riferimento WebElements o NIST il raggio atomico e la densità degli elementi del periodo 3 (da $Na$ a $Ar$). Costruisci una tabella di dati e disegna il grafico «Raggio atomico in funzione della densità».

4. Proposta argomentata: Elabora una breve relazione in cui colleghi il grafico con la carica nucleare efficace ($Z^*$) e la schermatura ($Z^*$ è la carica che «sente» un elettrone esterno: i protoni del nucleo meno l'effetto schermante degli elettroni interni; lungo il periodo cresce perché ci sono più protoni con gli stessi gusci interni), confrontando la tua densità sperimentale del $Al$ con la tendenza periodica.

Verranno valutati:

• Corretta deduzione delle configurazioni elettroniche e della posizione nella tavola periodica.

• Precisione nelle misure casalinghe, espressione rigorosa delle incertezze e qualità del grafico.

• Argomentazione scientifica che colleghi la struttura atomica con le tendenze macroscopiche.