Esercizi: Sviluppo storico della tavola periodica

Nel $1829$, il chimico tedesco Johann Döbereiner pubblicò le sue «triadi»: gruppi di tre elementi con proprietà chimiche molto simili, come litio, sodio e potassio.

1. a) Che cosa osservò Döbereiner sulla massa atomica dell'elemento centrale di ogni triade, rispetto alla media delle masse degli altri due?
2. b) Quali proprietà avevano in comune gli elementi della triade dei metalli alcalini? Indicane due.

Le masse atomiche di cloro, bromo e iodio sono $35,5\ \text{u}$, $79,9\ \text{u}$ e $126,9\ \text{u}$. Calcola la media delle masse del cloro e dello iodio e verifica se coincide, approssimativamente, con la massa del bromo, come affermava la regola delle triadi di Döbereiner.

Nel $1865$, l'inglese John Newlands dispose gli elementi noti in ordine di massa atomica crescente e osservò che, a partire dal litio, ogni ottavo elemento ripeteva le proprietà del primo: la chiamò «legge delle ottave». Lo schema rappresenta la sua «scala» di elementi:

1. a) Perché scelse quel nome musicale?
2. b) Considerando il litio come il primo, i sette elementi successivi per massa sono Be, B, C, N, O, F e Na: quale elemento occupa l'«ottava nota» del litio? Le loro proprietà sono simili?

Nel $1869$, il russo Dmitrij Mendeleev pubblicò la prima versione della sua tavola periodica con i $63$ elementi allora noti.

1. a) Secondo quale criterio ordinò principalmente gli elementi?
2. b) Quando l'elemento successivo della lista non si adattava alle proprietà di una colonna, Mendeleev lasciava una casella vuota invece di forzarlo: come interpretò queste caselle vuote?

Mendeleev predisse l'esistenza di un elemento sconosciuto che chiamò eka-alluminio, scoperto pochi anni dopo e battezzato gallio ($\text{Ga}$). Lo schema mostra la casella vuota lasciata da Mendeleev nella sua tavola:

1. a) Il prefisso eka significa «quello che sta un passo oltre» in sanscrito: quale posizione occupava l'eka-alluminio rispetto all'alluminio nella tavola?
2. b) Che cosa sarebbe accaduto alla credibilità della tavola periodica se il gallio non fosse mai stato trovato?

Il tellurio ($M = 127,6\ \text{u}$) è più pesante dello iodio ($M = 126,9\ \text{u}$); tuttavia, Mendeleev collocò il tellurio prima dello iodio, contro l'ordine crescente delle masse.

1. a) Quali proprietà chimiche lo portarono a fare questa inversione?
2. b) Quale criterio di ordinamento, scoperto decenni dopo, giustificò la correttezza di questa inversione?

Nel $1913$, il giovane fisico britannico Henry Moseley studiò i raggi X emessi da diversi elementi bombardandoli con elettroni e trovò una regolarità perfetta. Lo schema riassume il suo montaggio sperimentale:

1. a) Quale grandezza fisica assegnò Moseley a ogni elemento come criterio di ordinamento, al posto della massa atomica?
2. b) Come si chiama oggi quel numero nella tavola periodica e che cosa conta esattamente nell'atomo?

Enuncia con parole tue la legge periodica attuale.

1. a) Da quale grandezza dipendono periodicamente le proprietà degli elementi?
2. b) Che cosa significa che le proprietà si ripetono «periodicamente»? Sostieni la risposta con un esempio di due elementi con proprietà molto simili situati nella stessa colonna.

Un'altra triade classica di Döbereiner è formata da calcio ($40,1\ \text{u}$), stronzio ($87,6\ \text{u}$) e bario ($137,3\ \text{u}$).

1. a) Calcola la media delle masse del calcio e del bario.
2. b) Calcola la deviazione percentuale di tale media rispetto alla massa reale dello stronzio e valuta se la regola delle triadi funziona in questo caso.

Gli estremi della triade dei metalli alcalini sono il litio ($6,9\ \text{u}$) e il potassio ($39,1\ \text{u}$).

1. a) Usa la regola di Döbereiner per prevedere la massa atomica dell'elemento centrale, il sodio.
2. b) La massa reale del sodio è $23,0\ \text{u}$: calcola l'errore percentuale della previsione e commenta il risultato.

La legge delle ottave di Newlands funzionava ragionevolmente bene con gli elementi più leggeri, ma smetteva di valere a partire dal calcio.

1. a) Ordina per massa crescente questi otto elementi: Li ($6,9\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$) e N ($14,0\ \text{u}$), e verifica che l'ottavo assomigli chimicamente al primo.
2. b) Proponi una ragione storica per cui la legge delle ottave non poté essere generale: pensa a quanti elementi si conoscevano nel $1865$ e a quali intere famiglie mancavano ancora da scoprire.

Mendeleev predisse per l'eka-alluminio una massa atomica di circa $68\ \text{u}$ e una densità di $5,9\ \text{g/cm}^3$. Il gallio, scoperto nel $1875$ da Lecoq de Boisbaudran, ha massa $69,7\ \text{u}$ e densità $5,9\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcola l'errore percentuale della massa prevista.
2. b) Valuta la qualità complessiva delle due previsioni: che cosa dicono del metodo usato da Mendeleev?

L'argon ha massa atomica $39,9\ \text{u}$ e il potassio $39,1\ \text{u}$; tuttavia, nella tavola moderna l'argon ($Z = 18$) viene prima del potassio ($Z = 19$).

1. a) Ordina Ar e K prima per massa e poi per $Z$: quale dei due ordinamenti è coerente con le loro proprietà (gas inerte contro metallo tenero molto reattivo)?
2. b) Spiega come il lavoro di Moseley eliminò per sempre questo tipo di «inversioni» che per Mendeleev erano rimaste senza spiegazione.

Nel $1886$, Clemens Winkler isolò il germanio ($\text{Ge}$) dal minerale argirodite e verificò che le sue proprietà coincidevano quasi esattamente con quelle dell'eka-silicio previsto da Mendeleev quindici anni prima. Il primo indizio dell'esistenza di un nuovo elemento in quel minerale fu fornito dall'analisi del suo spettro.

1. a) Perché la comparsa di righe spettrali sconosciute rivela la presenza di un nuovo elemento?
2. b) Che relazione ha questo episodio con l'idea della tavola periodica come strumento predittivo?

Le temperature di fusione degli alogeni sono: $\text{F}_2$: $-220\ \celsius$, $\text{Cl}_2$: $-101\ \celsius$, $\text{Br}_2$: $-7\ \celsius$ e $\text{I}_2$: $114\ \celsius$.

1. a) Rappresenta sul quaderno la temperatura di fusione in funzione del numero del periodo e descrivi l'andamento nel gruppo.
2. b) L'astato, l'alogeno successivo, esiste appena in natura e non è stato quasi possibile studiarlo: stima graficamente la sua temperatura di fusione e stabilisci se sarà solido a temperatura ambiente ($25\ \celsius$).

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Le densità dei metalli alcalini sono: Li: $0,53\ \text{g/cm}^3$, Na: $0,97\ \text{g/cm}^3$, K: $0,86\ \text{g/cm}^3$, Rb: $1,53\ \text{g/cm}^3$ e Cs: $1,87\ \text{g/cm}^3$. La figura rappresenta questi valori:

1. a) Seguono un andamento strettamente crescente scendendo nel gruppo? Indica l'eccezione.
2. b) Stima un valore ragionevole per la densità del francio, l'alcalino del settimo periodo, e giustifica la tua stima a partire dall'andamento generale.

Uno studente cerca triadi di Döbereiner tra questi elementi, con le loro masse atomiche: Mg ($24,3\ \text{u}$), Ca ($40,1\ \text{u}$), Sr ($87,6\ \text{u}$), Ba ($137,3\ \text{u}$) e Zn ($65,4\ \text{u}$).

1. a) Verifica, calcolando le medie opportune, quali insiemi di tre elementi consecutivi per massa rispettano la regola di Döbereiner (la massa del centrale coincide con la media degli estremi con un errore inferiore a $5\ \%$).
2. b) Tra le triadi che soddisfano la regola numerica, quali raggruppano anche elementi chimicamente simili?
3. c) Concludi perché la regola delle triadi, da sola, non bastò a ordinare tutti gli elementi noti.

Mendeleev predisse nel $1871$ per l'eka-silicio: massa atomica $72\ \text{u}$, densità $5,5\ \text{g/cm}^3$ e un ossido di formula $\text{EO}_2$ con densità $4,7\ \text{g/cm}^3$. Il germanio, scoperto nel $1886$, ha massa $72,6\ \text{u}$, densità $5,3\ \text{g/cm}^3$, e il suo ossido $\text{GeO}_2$ ha densità $4,2\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcola l'errore percentuale di ciascuna delle tre previsioni.
2. b) Perché predisse un ossido di formula $\text{EO}_2$ e non $\text{EO}$ o $\text{E}_2\text{O}_3$? Pensa alla colonna del silicio e alle formule dei suoi composti.
3. c) Alla luce di questi risultati, commenta la frase «la tavola periodica è uno strumento predittivo».

Moseley misurò la frequenza $\nu$ dei raggi X caratteristici di molti elementi e trovò che la radice quadrata della frequenza cresce linearmente con il numero atomico:

$\sqrt{\nu} = 4,98\cdot10^{7}\cdot\left(Z - 1\right)\ \text{Hz}^{1/2}$

Rappresentati in un grafico, i valori degli elementi si dispongono su una retta:

1. a) Calcola la frequenza dei raggi X caratteristici del rame ($Z = 29$).
2. b) Un campione metallico sconosciuto emette raggi X con $\nu = 1,54\cdot10^{18}\ \text{Hz}$: calcola il suo numero atomico e identifica l'elemento sapendo che $Z = 26$ corrisponde al ferro.
3. c) Spiega perché questa legge permise di ordinare la tavola per $Z$ senza alcuna ambiguità, cosa impossibile con la massa atomica.

Le tre «inversioni» classiche della tavola sono Ar ($39,9\ \text{u}$)–K ($39,1\ \text{u}$), Co ($58,9\ \text{u}$)–Ni ($58,7\ \text{u}$) e Te ($127,6\ \text{u}$)–I ($126,9\ \text{u}$): in tutte e tre le coppie, l'elemento più pesante viene prima nella tavola.

1. a) Verifica con i numeri atomici (Ar: $Z = 18$, K: $Z = 19$; Co: $Z = 27$, Ni: $Z = 28$; Te: $Z = 52$, I: $Z = 53$) che l'ordine per $Z$ è opposto all'ordine per massa in tutti e tre i casi.
2. b) La massa atomica di un elemento è la media ponderata delle masse dei suoi isotopi naturali: usa questa idea per spiegare come un elemento con $Z$ minore possa risultare più pesante del successivo.
3. c) Concludi perché la massa atomica non può essere il criterio di ordinamento della tavola e il numero atomico sì.

La tavola di Mendeleev presentava quattro difficoltà che la tavola attuale non ha: ① non c'era una colonna per i gas nobili; ② l'idrogeno non si adattava bene a nessun gruppo; ③ gli isotopi di uno stesso elemento sembravano richiedere più caselle; ④ le terre rare (lantanidi) non trovavano posto.

1. a) Spiega l'origine storica o chimica di ciascuna delle quattro difficoltà.
2. b) Spiega come le risolve la tavola attuale, ordinata per $Z$ e costruita a partire dalle configurazioni elettroniche.
3. c) Quando Ramsay scoprì i gas nobili negli anni $1890$, la tavola poté aggiungere un'intera colonna senza spezzarsi: spiega perché quella scoperta rafforzò la tavola invece di distruggerla.

Immagina di essere nel $1865$ e di conoscere solo questi dieci elementi, già ordinati per massa: Li ($6,9\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), N ($14,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Mg ($24,3\ \text{u}$) e Si ($28,1\ \text{u}$). Le loro proprietà: Li e Na sono metalli teneri che reagiscono con l'acqua; Be e Mg sono metalli più duri e meno reattivi; B e Si sono semimetalli; C, N, O e F sono non metalli.

1. a) Verifica la legge delle ottave di Newlands: ogni ottavo elemento assomiglia al primo della sua «scala»? Identifica le tre coppie che la confermano.
2. b) L'argon ($Z = 18$, $39,9\ \text{u}$) non fu scoperto fino al $1894$: spiega dove lo avrebbe collocato Newlands e quale problema avrebbe costituito per la sua scala musicale un elemento che non assomiglia a nessun altro.
3. c) Spiega perché la tavola di Mendeleev, che lasciava caselle vuote, era più flessibile della scala chiusa di Newlands.

Le temperature di fusione dei metalli alcalini sono: Li: $181\ \celsius$, Na: $98\ \celsius$, K: $64\ \celsius$, Rb: $39\ \celsius$ e Cs: $28\ \celsius$.

1. a) Rappresenta sul quaderno l'andamento e stima la temperatura di fusione del francio, l'alcalino del settimo periodo.
2. b) Prevedi inoltre, giustificandolo in base al comportamento del gruppo: il suo stato a temperatura ambiente ($25\ \celsius$), la sua durezza e il suo comportamento con l'acqua.
3. c) Il francio è così raro e radioattivo che le sue proprietà misurate sono appena note: spiega perché la tavola periodica permette di fare scienza predittiva anche con elementi quasi impossibili da studiare in laboratorio.

Puoi farlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

Scrivi una breve relazione intitolata «Dalle triadi al numero atomico: come è stata costruita la tavola periodica».

1. a) Riassumi il contributo di Döbereiner, Newlands, Mendeleev e Moseley, indicando il criterio di ordinamento proposto da ciascuno.
2. b) Indica quale problema restava irrisolto dopo ciascuno scienziato e come lo affrontò il successivo.
3. c) Concludi spiegando perché si dice che una buona teoria scientifica non solo ordina ciò che è noto, ma prevede ciò che è sconosciuto: illustralo con il caso dell'eka-alluminio.