Esercizi: Periodicità delle proprietà

Tutti gli elementi della colonna 1 della tavola, i metalli alcalini, terminano la loro configurazione elettronica in $s^1$.

1. a) Che cosa hanno in comune le configurazioni elettroniche di tutti gli elementi di uno stesso gruppo?
2. b) Quale conseguenza ha questa somiglianza sulle loro proprietà chimiche? Fai un esempio concreto del gruppo 1.

In laboratorio, il sodio si conserva immerso in olio minerale perché reagisce violentemente con l'acqua e persino con l'umidità dell'aria.

1. a) Descrivi che cosa si osserva gettando un pezzetto di sodio in una vaschetta con acqua.
2. b) Quale gas si libera nella reazione? Che carattere, acido o basico, ha la soluzione risultante?

L'elio dei palloncini e il neon delle insegne luminose sono gas nobili.

1. a) Che cosa hanno di particolare le configurazioni elettroniche dei gas nobili?
2. b) Perché formano a malapena composti chimici? Quale vantaggio offre l'elio rispetto all'idrogeno, infiammabile, per gonfiare i palloncini?

Il cloro che disinfetta le piscine e lo iodio delle farmacie sono alogeni (gruppo 17).

1. a) Quanti elettroni di valenza hanno gli alogeni? Quale ione formano acquistando un elettrone?
2. b) Spiega, con lo scambio di elettroni tra i due atomi, perché il sodio e il cloro reagiscono formando cloruro di sodio, $\text{NaCl}$.

Il terzo periodo della tavola, da sinistra a destra, è: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl e Ar.

1. a) Indica quali di questi elementi sono metalli, quali non metalli e quale è un semimetallo.
2. b) Come cambia il carattere metallico procedendo da sinistra a destra in un periodo?

Un cavo di rame conduce la corrente elettrica; un pezzo di zolfo, no.

1. a) Cita tre proprietà tipiche dei metalli che i non metalli non condividono.
2. b) In quali zone della tavola periodica (sinistra, centro, destra) si trovano i metalli e i non metalli?

In base al gruppo a cui appartiene ciascun elemento, indica quale ione forma e giustificalo con il numero di elettroni che acquista o perde per completare il suo ultimo livello:

1. a) magnesio (gruppo 2)
2. b) azoto (gruppo 15)
3. c) potassio (gruppo 1)

Il sodio forma ioni $\text{Na}^{+}$ e l'ossigeno ioni $\text{O}^{2-}$.

1. a) Quanti ioni $\text{Na}^{+}$ servono per compensare la carica di uno ione $\text{O}^{2-}$?
2. b) Scrivi la formula dell'ossido di sodio. Quale sarà la formula dell'ossido di potassio, che si trova nello stesso gruppo del sodio?

Lasciando cadere un pezzetto ciascuno di litio, sodio e potassio in tre vaschette con acqua, la reazione è sempre più violenta. Lo schema disegna la struttura a strati dei tre atomi:

1. a) Ordina Li, Na, K e Rb dalla minore alla maggiore reattività con l'acqua e bilancia l'equazione della reazione del sodio: $\text{Na} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaOH} + \text{H}_2$.
2. b) Spiega la tendenza: quanto più in basso si trova il metallo alcalino nel gruppo, è più facile o più difficile strappargli il suo elettrone di valenza? Mettilo in relazione con la sua reattività.

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

La reattività degli alogeni varia al contrario di quella dei metalli alcalini: il fluoro è il più reattivo e lo iodio il meno reattivo.

1. a) Facendo gorgogliare cloro in una soluzione di bromuro di potassio, la soluzione si colora di bruno perché compare bromo: $\text{Cl}_2 + \text{KBr} \rightarrow \text{Br}_2 + \text{KCl}$. Bilancia l'equazione e spiega che cosa significa che il cloro «sposta» il bromo dai suoi composti.
2. b) Prevedi se lo iodio sposterebbe il cloro da una soluzione di $\text{NaCl}$. Giustifica la risposta con la tendenza del gruppo.

Alcuni raggi atomici misurati sono: Li: $152\ \text{pm}$, Na: $186\ \text{pm}$ e K: $227\ \text{pm}$ nel gruppo 1; e Na: $186\ \text{pm}$, Mg: $160\ \text{pm}$ e Al: $143\ \text{pm}$ nel terzo periodo. La figura disegna i sei atomi in scala:

1. a) Descrivi, con questi dati, la tendenza del raggio atomico scendendo in un gruppo e procedendo in un periodo.
2. b) Spiegala: che cosa si aggiunge scendendo in un gruppo che fa crescere l'atomo, e che cosa aumenta procedendo in un periodo che attrae più fortemente la nube elettronica?

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

La prima energia di ionizzazione (energia necessaria per strappare l'elettrone più esterno, in $\text{kJ/mol}$) vale: Na: $496$, Mg: $738$, Al: $578$ e Cl: $1251$ nel terzo periodo; e Li: $520$, Na: $496$ e K: $419$ nel gruppo 1. Il grafico rappresenta tutti questi valori:

1. a) Enuncia le due tendenze dell'energia di ionizzazione: procedendo in un periodo e scendendo in un gruppo.
2. b) Metti in relazione la bassa energia di ionizzazione dei metalli alcalini con la loro facilità a formare ioni $\text{X}^{+}$ e, al tempo stesso, con la loro grande reattività.

Prevedi la formula di questi composti ionici a partire dalle cariche abituali degli ioni, giustificando lo scambio di elettroni:

1. a) alluminio ($\text{Al}^{3+}$) con zolfo ($\text{S}^{2-}$)
2. b) calcio ($\text{Ca}^{2+}$) con azoto ($\text{N}^{3-}$)

Un elemento è un gas incolore, inodore e totalmente inerte; l'industria lo usa come atmosfera protettiva nella saldatura ad arco e per riempire lo spazio tra i vetri delle finestre a doppio vetro.

1. a) A quale gruppo della tavola appartiene?
2. b) Il suo atomo ha $18$ elettroni: di quale elemento si tratta? Scrivi la sua configurazione elettronica e spiega, a partire da essa, perché è inerte.

L'elettronegatività misura la tendenza di un atomo ad attrarre verso di sé gli elettroni di un legame. Alcuni valori: F: $4,0$, O: $3,5$, Cl: $3,2$, S: $2,6$, Na: $0,9$ e Cs: $0,7$.

1. a) Verifica con questi dati che l'elettronegatività cresce procedendo in un periodo e diminuisce scendendo in un gruppo.
2. b) Quale elemento della tavola è il più elettronegativo e in quale angolo si trova? Dove si trovano, invece, gli elementi meno elettronegativi?

Ordina dal maggiore al minore carattere metallico gli elementi Na, Mg, S e Si.

1. a) Giustifica l'ordine a partire dalle loro posizioni nel terzo periodo.
2. b) Spiega quale proprietà macroscopica, come la conduzione della corrente elettrica, cambierebbe percorrendo la serie in quell'ordine.

Gli ossidi degli elementi del terzo periodo sono: $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{SO}_3$ e $\text{Cl}_2\text{O}_7$. Reagendo con l'acqua, i primi due danno soluzioni basiche e gli ultimi due soluzioni acide; $\text{Al}_2\text{O}_3$ e $\text{SiO}_2$ sono praticamente insolubili, anche se $\text{SiO}_2$ ha carattere acido (reagisce con le basi).

1. a) Metti in relazione il carattere acido o basico dell'ossido con la posizione dell'elemento nel periodo e con il suo carattere metallico.
2. b) L'ossido di alluminio è anfotero: reagisce come base con gli acidi e come acido con le basi. Questa ambiguità è coerente con la sua posizione intermedia nel periodo? Giustificalo.
3. c) Prevedi il carattere (acido, basico o anfotero) dell'ossido di potassio, $\text{K}_2\text{O}$, e del biossido di selenio, $\text{SeO}_2$, a partire dalla posizione di K e Se nella tavola.

Raggi misurati: Na: $186\ \text{pm}$ e $\text{Na}^{+}$: $95\ \text{pm}$; Cl: $99\ \text{pm}$ e $\text{Cl}^{-}$: $181\ \text{pm}$. La figura disegna atomi e ioni in scala:

1. a) Quale ione è più piccolo del suo atomo neutro e quale è più grande? Confronta numericamente ciascuna coppia.
2. b) Spiega entrambi i cambiamenti contando elettroni e livelli: che cosa perde il sodio ionizzandosi e perché il cloro cresce tanto acquistando un elettrone (pensa alla repulsione tra elettroni)?
3. c) Lo ione $\text{Na}^{+}$ e lo ione $\text{F}^{-}$ sono isoelettronici (hanno $10$ elettroni): prevedi quale dei due sarà più grande e giustificalo confrontando le loro cariche nucleari ($Z = 11$ per Na e $Z = 9$ per F).

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

Le prime tre energie di ionizzazione successive di un elemento del terzo periodo sono $E_{i,1} = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_{i,2} = 1451\ \text{kJ/mol}$ e $E_{i,3} = 7733\ \text{kJ/mol}$. Il grafico rappresenta le tre energie in scala:

1. a) Calcola quante volte $E_{i,2}$ è maggiore di $E_{i,1}$ e quante volte $E_{i,3}$ è maggiore di $E_{i,2}$.
2. b) Tra quali ionizzazioni si trova il «salto»? Quanti elettroni di valenza ha quell'atomo? Giustificalo.
3. c) Sapendo che la sua configurazione termina in $3s^2$, identifica l'elemento e spiega perché strappargli il terzo elettrone costa tanto: da dove proviene quell'elettrone?

Il selenio ($Z = 34$) è un oligoelemento essenziale che compare nella composizione di alcuni integratori alimentari.

1. a) Scrivi la sua configurazione elettronica e deduci il suo periodo e il suo gruppo.
2. b) Prevedi: il suo ione più comune, la formula del suo composto con il sodio e la formula del suo idruro (il composto con l'idrogeno analogo all'acqua).
3. c) Confronta la sua reattività con quella dello zolfo, che si trova subito sopra nello stesso gruppo, e giustificala con la tendenza dei non metalli scendendo in un gruppo.

Le cellule fotoelettriche di alcune barriere di sicurezza industriali contengono cesio: basta la luce visibile per strappare elettroni dalla sua superficie.

1. a) Metti in relazione questa proprietà con la prima energia di ionizzazione del cesio ($376\ \text{kJ/mol}$, la minore tra i metalli alcalini) e con la sua posizione nel gruppo 1.
2. b) Il sodio ha $E_{i,1} = 496\ \text{kJ/mol}$: spiega, con la tendenza del gruppo, perché il cesio è più adatto del sodio per questa applicazione.
3. c) Il sodio e il potassio si conservano sotto olio: usa le tendenze del gruppo per spiegare che cosa accadrebbe se fossero conservati all'aperto e perché il litio può essere maneggiato con un po' più di tranquillità.

La reazione del sodio con l'acqua è $2\ \text{Na} + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{NaOH} + \text{H}_2$.

1. a) In una dimostrazione in laboratorio si usano $0,2\ \text{mol}$ di sodio: quante moli di $\text{H}_2$ si sviluppano? Quale massa di idrogeno è ($M(\text{H}) = 1\ \text{g/mol}$)?
2. b) Quale massa di $\text{NaOH}$ ($M = 40\ \text{g/mol}$) si forma in quella stessa dimostrazione?
3. c) La reazione libera molto calore e l'idrogeno può bruciare: spiega, con la tendenza di reattività del gruppo 1, perché fare la stessa dimostrazione con il potassio è ancora più pericoloso.

Se si rappresenta la prima energia di ionizzazione in funzione del numero atomico $Z$ per i primi $20$ elementi, si ottiene un grafico a dente di sega: picchi in He, Ne e Ar, valli in Li, Na e K, e un aumento generale all'interno di ciascun periodo. La figura mostra questa rappresentazione:

1. a) Spiega, con le loro configurazioni elettroniche, perché i picchi corrispondono ai gas nobili.
2. b) Spiega perché le valli corrispondono ai metalli alcalini.
3. c) Senza consultare valori, prevedi in quale elemento nei dintorni di $Z = 36$ comparirà il picco successivo e in quale la valle successiva: giustifica entrambe le previsioni.

Il composto $\text{NaCl}_2$ non esiste, mentre esiste il $\text{MgCl}_2$; non esiste nemmeno il $\text{MgCl}$.

1. a) Usando le configurazioni elettroniche del sodio e del magnesio, spiega che cosa dovrebbe accadere perché esistesse lo ione $\text{Na}^{2+}$ e perché ciò non avviene (pensa a quanto costa la seconda ionizzazione).
2. b) Spiega perché lo ione $\text{Mg}^{+}$ non compare nei composti ionici mentre compare lo ione $\text{Mg}^{2+}$.
3. c) Concludi generalizzando: come «decide» la tavola periodica le formule dei composti ionici? Scrivi la regola per un metallo del gruppo $g$ che forma ioni $\text{X}^{g+}$ combinato con un alogeno che forma ioni $\text{Y}^{-}$.

Sfida del tema. Il tuo compito è indagare come la struttura elettronica definisce le proprietà macroscopiche ed emulare Mendeleev analizzando la periodicità.

1. Storia e radiazione: Consulta nella banca dati NIST Basic Atomic Spectroscopic Data le righe di emissione visibili del $\text{Na}$ e del $\text{Ca}$. Calcola l'energia dei fotoni emessi con $E = h \cdot \frac{c}{\lambda}$ e spiega come l'interazione con la radiazione elettromagnetica abbia superato i limiti dell'ordinamento per massa atomica.

2. Esperimento casalingo: Ritaglia $5$ lamine rettangolari di carta stagnola di diverse dimensioni (aree comprese tra circa $1000$ e $5000\text{ cm}^2$, perché ogni massa sia di alcuni grammi). Misura le loro dimensioni con un righello (incertezza $\pm 0,1\text{ cm}$) per trovare l'area ($A$) e la loro massa con una bilancia da cucina ($\pm 1\text{ g}$). Registra i dati in una tabella con le loro incertezze, rappresenta il grafico di $m$ in funzione di $A$ e deduci la densità superficiale e, con la densità tabulata dell'alluminio ($\rho_{\text{Al}} = 2,70\text{ g/cm}^3$), lo spessore del materiale.

3. Periodicità e sintesi: Raccogli sul sito IUPAC o su Ptable le densità e i raggi atomici degli elementi del periodo 3. Elabora una breve relazione argomentando come la carica nucleare effettiva ($Z^*$) e la schermatura giustifichino la variazione del raggio atomico e quali altri fattori (massa atomica, stato fisico, tipo di legame e impaccamento) spieghino quella della densità; colloca in tale andamento la densità dell'alluminio usata nel punto 2.

Verrà valutato:

• Rigore nel calcolo della radiazione emessa e sua fondazione storica.

• Qualità della raccolta dei dati, trattamento delle incertezze, tabella e grafico.

• Solida giustificazione teorica delle proprietà periodiche a partire dalla configurazione elettronica.