Elementi e Tavola Periodica - LM85-bis Scienze della formazione primaria - Elementi di Chimica
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LM85-bis
Scienze della formazione primaria
Elementi e Tavola Periodica
Prof. Federico Teloni
Elementi di Chimica
A. A. 2018-2019
e-mail: federico.teloni@istruzione.it
L’elemento di Lavoisier
Definizione di elemento al livello
MACROSCOPICO di sostanza pura
Se, con il termine elementi, intendiamo designare le molecole
semplici e indivisibili che compongono i corpi, è probabile che
non li conosciamo: se, al contrario, noi attacchiamo al nome di
elementi o di principi dei corpi l'idea del termine ultimo al
quale perviene l'analisi, tutte le sostanze che non siamo
ancora riusciti a decomporre con alcun mezzo, sono per noi
degli elementi;
Lavoisier: Traité de Chimie Élémentaire (1789):
… questo però non significa che noi abbiamo la
certezza che tali corpi, che noi consideriamo
semplici, non siano composti essi stessi di due o
anche più principi;…
L’elemento di Dalton
Definizione di elemento al livello
MICROSCOPICO, in base agli atomi
Tutti gli atomi di un dato elemento
sono identici (e diversi da quelli di
Dalton altri elementi).
Abegg e Lewis
La scoperta della radioattività permise lo studio della struttura e della
composizione degli atomi. Ciò permise di comprendere il ruolo degli elettroni
nella reattività degli atomi.
Nel 1904 Richard Abegg propose una CORRELAZIONE tra la
tavola periodica di Mendeleev, costruita sulla base di dati
empirici relativi alle sostanze, e la struttura elettronica degli
atomi e il numero degli elettroni di valenza.
Un elemento è caratterizzato dal
NUMERO ATOMICO, cioè dal numero di
protoni nel nucleo dei suoi atomi
costituenti. Tale numero individua gli Abegg
elettroni di valenza, del guscio più esterno.
Nel 1923 Gilbert Newton Lewis pubblica il trattato
Valence and the Structure of Atoms and Molecules .
Lewis
Definizione di elemento al livello NUCLEO-ELETTRONICO
Registri di Concettualizzazione Attualmente vi sono tre registri di concettualizzazione: • macroscopico: sostanze chimiche e loro composizione, le soluzioni e le miscele, ecc. • microscopico atomico/molecolare: le formule empiriche o grezze e quelle di struttura, le energie medie di legame, i meccanismi molecolari di reazione, ecc. • nucleo-elettronico: le formule elettroniche (strutture di Lewis e configurazioni elettroniche); le variazioni nella composizione elettronica o nucleare (ioni e isotopi) e il concetto di elemento; l'interpretazione degli spettri, ecc.
Il Concetto di Atomo
Cosa si intende per atomo? Una entità chimica isolata, composta di un nucleo e di
un numero di elettroni tale da conferire all'intera struttura una carica elettrica nulla.
Quando gli atomi formano ioni o interagiscono formando
molecole, non conservano il numero degli elettroni o la loro
configurazione elettronica.
Il nucleo è una delle parti invarianti di ciò che
prima era identificato con il termine atomo
L'essenza di una reazione chimica (a livello microscopico), è il
ristrutturarsi della disposizione degli elettroni.
Quindi, non è possibile affermare che gli atomi neutri sono le
unità strutturali delle molecole e degli ioni.
le molecole sono costituite da nuclei e
da elettroni e NON di atomi neutri
Concetto di Elemento Il significato del concetto di elemento è legato al nucleo. Gli attributi essenziali del concetto di elemento sono: 1. Un nome 2. Una posizione nella Tavola Periodica 3. Un simbolo 4. Un numero atomico I nuclei si differenziano per il numero atomico e per il numero di massa; nuclei aventi lo stesso numero atomico e diverso numero di massa occupano lo stesso posto nella Tavola Periodica. Nella stessa casella: varietà diverse dello stesso elemento, varietà chiamate isotopi (stesso luogo). Ciò che li differenzia è il numero di massa.
Definizione IUPAC di Elemento IUPAC definition of chemical element: 1. A species of atoms; all atoms with the same number of protons in the atomic nucleus. 2. A pure chemical substance composed of atoms with the same number of protons in the atomic nucleus. Sometimes this concept is called the elementary substance as distinct from the chemical element as defined under 1, but mostly the term chemical element is used for both concepts. Anch’essa è confusa, NON univoca!
Livelli di Interpretazione
La chimica ha tre livelli di interpretazione-concettualizzazione:
elettroni
di valenza
elettroni
sostanze molecole
interni
nocciolo
atomico neutroni
elementi isotopi
protoni
macroscopico molecolare nucleo-elettronico
microscopico
Livelli di
Interpretazione
I tre livelli di interpretazione della reazione tra
sodio metallico (solido) e cloro molecolare
(gassoso), a formare il sodio cloruro (solido ionico).Elemento e Nuclei Jensen sostiene che il termine elemento deve essere riferito a: una classe di nuclei che hanno tutti lo stesso numero atomico J. Chem. Educ. 1998, 75, 817-828. Questa definizione permette di estendere il concetto di elemento ad atomi isolati, atomi in molecole, ioni ed isotopi. Però questa definizione non è molto semplice per un uso introduttivo in didattica delle scienze. Essa richiede conoscenze approfondite della struttura della materia e della sua reattività chimica. È comunque importante che i docenti siano consapevoli delle insidie nella definizione di elemento riportate nei vari testi scolastici.
Livelli di Interpretazione
Un elemento chimico è definito dal numero di protoni del
nucleo atomico; le proprietà chimiche delle sostanze semplici
dipendono invece soprattutto dagli elettroni, in particolare da
quelli del guscio più esterno.
Piano Fisico Piano Formale
Livello Macroscopico Livello Microscopico
Sostanze semplici Atomi, Ioni Elemento
(presente un solo elemento)
Sostanze composte
(presenti più elementi)Quanti Elementi?
Legge delle Triadi
J. W. Döbereiner (inizio del XIX secolo) intuì che molti
elementi potevano essere riuniti in gruppi di tre
elementi simili:
Litio, Sodio e Potassio
Cloro, Bromo e Iodio
Calcio, Stronzio e Bario
Döbereiner
• quando i tre elementi di una triade venivano disposti in ordine
crescente di massa atomica, le proprietà dell’elemento centrale
risultavano intermedie rispetto a quelle degli altri due
• Inoltre il peso atomico dell’elemento centrale era molto vicino alla
media aritmetica degli altri due (per esempio, nella triade cloro,
bromo, iodio il peso atomico del bromo è 79,9, valore molto vicino a
81,2 che è la media aritmetica di 35,5 (cloro) e 126,9 (iodio).Legge delle Ottave John Newlands propose nel 1866 la legge delle ottave: l’ottavo elemento era una specie di ripetizione del primo, analogamente a quanto si verifica per l’ottava nota nella scala musicale Infatti, egli notò che, quando gli elementi erano sistemati in ordine crescente di massa atomica, ogni elemento aveva Newlands proprietà simili a quelle degli elementi che stavano otto posti avanti e otto posti indietro.
Meyer e i Volumi Atomici
Meyer osservò (1870) che, se si tracciava un grafico dei
volumi atomici degli elementi in funzione delle masse
atomiche, si otteneva una serie di onde che formavano
vertici appuntiti in corrispondenza dei metalli alcalini,
cioè sodio, potassio, rubidio e cesio.
Meyer
la distanza tra due vertici
consecutivi nel grafico
corrispondeva a un periodo
della tavola degli elementi
In ogni periodo, oltre al volume
atomico, subiva un'oscillazione
anche un certo numero di altre
proprietà fisiche.Mendeleev e la Valenza
Mendeléev osservò (1869) una regolarità nella variazione
della valenza degli elementi e del loro comportamento
chimico, riportati in ordine di massa atomica crescente → la
valenza aumentava e diminuiva, dando luogo a periodi.
La valenza dell’atomo di idrogeno H, preso a riferimento, è
uguale a 1. Mendeléev
Si definisce come valenza la capacità di un atomo di legarsi o
sostituirsi a un certo numero di atomi di idrogeno.
When the elements are arranged in order of
increasing atomic mass, certain sets of
properties recur periodically.Previsione di Nuovi Elementi
Egli capì anche che era necessario lasciare nella tavola degli spazi vuoti,
corrispondenti ad elementi che non erano stati ancora scoperti, che chiamò
eka-boro (scandio), eka-alluminio (gallio) ed eka-silicio (germanio) (eka
significa «uno» in sanscrito) e ne previde correttamente le proprietà.
MendeléevUn Nuovo Gruppo di Elementi
He Un gruppo di elementi che Mendeleev
non aveva previsto era quello dei gas
F Ne Li
nobili. Mendeleev non lasciò spazi
Cl Ar Na vuoti per essi.
Br Kr K Ramsay, il loro scopritore, propose di
disporli in un gruppo separato, dopo
I Xe Rb
gli alogeni. Ramsay
At Rn Cs
Fr
I gas nobili non mostrano reattività chimica, quindi avevano
valenza zero, e potevano essere inseriti tra il 1° ed il 7°
gruppo, entrambi con valenza 1.Numero Atomico e Legge Periodica
Nel 1913 Moseley studiò le righe di emissione (raggi X)
dei differenti elementi allora conosciuti e correlò le
frequenze dei raggi X alle cariche nucleari (Legge di
Moseley) in corrispondenza delle posizioni degli
elementi nella tavola periodica.
le frequenze dei raggi emessi da
ciascun elemento variano in
proporzione al numero atomico
dell'elemento stesso
Con la scoperta degli isotopi ci si rese conto che non è la massa
atomica ad incidere sulla legge periodica bensì il numero atomico.
Moseley
Proprietà simili ricorrono periodicamente
quando gli elementi sono disposti in funzione
del loro numero atomico crescenteModerna Tavola Periodica La tavola periodica è una distribuzione di tutti gli elementi conosciuti, naturali e artificiali, basata sul numero atomico crescente quale principio ordinatore.
Moderna Tavola Periodica La tavola periodica è suddivisa in BLOCCHI. • Gli elementi del blocco “s” hanno la configurazione elettronica di valenza s1 o s2. • Gli elementi del blocco “p” hanno la configurazione elettronica di valenza da s2p1 fino a s2p6. • Gli elementi del blocco “d” hanno la configurazione elettronica di valenza del guscio d incompleta. •Gli elementi del blocco “f” hanno la configurazione elettronica di valenza del guscio f incompleta. • L'idrogeno occupa una posizione unica nella parte superiore della tavola periodica. Esso non appartiene a nessun gruppo.
Moderna Tavola Periodica Tutti gli elementi di un gruppo hanno la stessa CONFIGURAZIONE DI VALENZA (stesso numero di elettroni di valenza, cioè del guscio più esterno). Il numero degli elettroni del guscio di valenza eguaglia il numero del gruppo.
Confronto Metalli e Non Metalli Gli elementi possono essere suddivisi in tre grandi famiglie: - Metalli - Non metalli - Metalloidi (o semimetalli)
Comportamento Metallico • I metalli sono solitamente solidi lucenti con temperature di fusione da moderate ad alte. • I metalli sono buoni conduttori termici ed elettrici che possono essere più o meno facilmente lavorati. • I metalli tendono a perdere elettroni e formare cationi, ovvero sono facilmente ossidati. • I metalli sono solitamente forti agenti riducenti, cioè cedono elettroni riducendo gli atomi che li accettano. rame ossidato ferro ossidato
Metalloidi e Non Metalli I metalloidi (o semimetalli) hanno proprietà intermedie fra quelle dei metalli e dei nonmetalli e si trovano sulla diagonale a destra della tavola periodica, nel blocco p. Mentre i metalli sono buoni conduttori, i semimetalli (qualora presenti in forma cristallina estremamente pura o lievemente drogata con sostanze accettrici o donatrici di elettroni, dette dopanti) sono semiconduttori (aumenta la loro conduttività all’aumentare della temperatura), mentre infine i non metalli sono degli isolanti.
Moderna Tavola Periodica
Gli elementi del blocco “s” sono tutti i metalli.
Gli elementi del blocco “p” sono più differenziati, e si passa da metalli quali
l’alluminio a sinistra ai non-metalli come il cloro a destra, attraverso i semimetalli o
metalloidi, come il silicio al centro, con un graduale cambiamento nel carattere
chimico attraverso la tavola periodica.
I semimetalli o metalloidi si trovano
approssimativamente in una linea
diagonale che va dal boro al
tellurio.
I gas nobili appartengono al gruppo
più a destra della tavola periodica:
sono elementi non metallici,
praticamente non reattivi a causa
del guscio di valenza completo s2p6.Moderna Tavola Periodica
Gli elementi del blocco “d” sono spesso denominati metalli di transizione, ma
quelli del gruppo 12 (lo zinco, il cadmio e il mercurio) non rientrano in questa
descrizione. Gli elementi del blocco “d” sono in genere considerati assieme
poiché le differenze fra i gruppi sono molto meno evidenti in questo blocco
rispetto agli elementi del blocco “p”.
Gli elementi del blocco “f”
sono tutti metalli.
Quelli del 6° periodo
(lantanidi) hanno proprietà
fisiche e chimiche simili.
Quelli del 7° periodo (attinidi)
sono tutti radioattivi e, a
parte il torio e l’uranio, sono
tutti artificiali.Moderna Tavola Periodica I gruppi della Tavola Periodica sono numerati da 1 a 18, in base alle recenti raccomandazioni della IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). La precedente numerazione dei gruppi era basati sui numeri romani da I a VIII seguiti da una lettera (A per i gruppi dei blocchi “s” e “p”, B per i gruppi del blocco “d”). I periodi (righe orizzontali della tavola periodica) sono invece numerati da 1 a 7.
Dimensioni degli Atomi Il raggio atomico aumenta all’aumentare del numero quantico principale n. Man mano che n aumenta, aumenta la probabilità che gli elettroni esterni siano a una maggiore distanza dal nucleo. Il raggio atomico diminuisce all’aumentare della carica nucleare effettiva, Zeff. Man mano che Zeff aumenta, gli elettroni esterni sono attratti maggiormente dal nucleo. Per gli elementi dei gruppi principali: Il raggio atomico aumenta lungo un gruppo del sistema periodico e diminuisce lungo un periodo.
Periodicità di Raggi Atomici Raggi atomici degli elementi dei gruppi principali e di quelli di transizione. Le dimensioni atomiche seguono un andamento periodico all’aumentare del numero atomico:
Energia di Ionizzazione
L’energia di ionizzazione (Ei) è l’energia necessaria per la rimozione completa di1
mol di elettroni da 1 mol di atomi o ioni allo stato gassoso.
L’energia di ionizzazione diminuisce lungo
un gruppo e aumenta lungo un periodo.
Energie di prima ionizzazione degli
elementi dei gruppi principaliAffinità Elettronica
L’affinità elettronica (Eea) è la variazione di energia che accompagna
l’aggiunta di 1 mol di elettroni a 1 mol di atomi o di ioni gassosi.
Atomi con bassa Eea tendono a formare cationi.
Atomi con alta Eea tendono a formare anioni.
Le tendenze nell’affinità elettronica non sono
così regolari come quelle nel raggio atomico o
nell’energia di ionizzazione.
Affinità elettroniche negli elementi
nei gruppi principali (in kJ/mol)Tendenze nelle Proprietà Atomiche
Cationi e Anioni Metalli reattivi: hanno basse Ei e Eea lievemente negative (esotermiche). Questi elementi cedono elettroni facilmente Perciò, nei loro composti ionici, formano ioni positivi. Non metalli reattivi: [Gruppo 6A(16) e 7A(17)] hanno Ei e Eea negative (esotermiche). Questi elementi cedono elettroni con difficoltà, ma li attraggono fortemente. Perciò, nei loro composti ionici, formano ioni negativi. Gas nobili: hanno Ei molto elevate e Eea leggermente positive. Questi elementi tendono a non cedere e a non acquistare elettroni.. Gli ioni positivi sono detti cationi. Gli ioni negativi sono detti anioni.
Confronto tra Atomi e Ioni
I cationi sono più piccoli dell’atomo da cui derivano mentre gli anioni sono più grandi.
Un catione possiede meno elettroni
rispetto ai protoni nel nucleo, che
eserciteranno una attrazione maggiore
sugli elettroni esterni. Quindi la nuvola
elettronica si contrae e le dimensioni
diminuiscono.
Viceversa, un anione possiede più
elettroni rispetto ai protoni nel nucleo,
che eserciteranno una attrazione
minore sugli elettroni esterni. Quindi la
nuvola elettronica si espande e le
dimensioni aumentano.Elementi Utili e Tossici Diversi elementi sono biologicamente importanti ed utili.: (a) Quelli in giallo rappresentano il 99% della massa corporea. (b) Quelli in verde sono richiesti in piccolissime quantità (essenziali in tracce). Altri elementi sono molto tossici e spesso letali anche in quantità relativamente piccole. Anche alcuni degli elementi in tracce diventano tossici se la loro concentrazione nel corpo aumenta. Ad es. il selenio: essenziale in concentrazioni di circa 0.00005 g al giorno, ma a dosi di 0.001 g al giorno può essere letale.
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