I legami
chimici
Prof.F.Tottola
Quinta Ch C
2012-13
Le proprietà periodiche
Si è affermato che molte proprietà fisiche e chimiche degli elementi variano
con gradualità nell’ambito di un periodo o di un gruppo. Di fatto, le
informazioni relative al comportamento di un elemento si possono dedurre
dalla posizione che esso occupa nella tavola periodica. In particolare,
analizzeremo l’andamento
del raggio atomico,
dell’energia di ionizzazione,
dell’affinità elettronica
dell’elettronegatività.
Tutti questi parametri, nel loro insieme, indicano danno la misura della
tendenza di un elemento a interagire con altri elementi per formare molecole.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Raggio atomico
Molte delle proprietà periodiche degli
elementi possono essere messe in relazione
con le dimensioni dei loro atomi. Esse
sono collegate alla disposizione degli elettroni
che, a loro volta, risentono dell’attrazione del
nucleo. Si può immaginare che la disposizione
del complesso degli elettroni attorno al nucleo
sia tale da formare approssimativamente
una sfera. Si può quindi considerare che la
dimensione dell’atomo sia in relazione diretta
con la misura del suo raggio e proprio a
questa ci si riferisce per stabilire la
dimensione degli atomi dei diversi elementi
nella tavola periodica.
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Proprietà periodiche
UD10 Tavola periodica
Uno dei metodi utilizzati per
determinare il raggio atomico
consiste nel misurare la
semidistanza tra i centri dei nuclei
degli atomi di un elemento quando
sono raggruppati in fase solida o
quando formano una molecola
biatomica.
Per poter giustificare la variazione delle dimensioni dei raggi
atomici degli elementi che si incontrano ‘scendendo’ lungo un
gruppo, si deve tener conto dei seguenti fattori:
• gli elettroni vanno a collocarsi in livelli a numero quantico
principale sempre più alto, quindi più lontani dal nucleo;
• gli elettroni dei livelli più interni schermano sempre più
la carica elettrica del nucleo che, pertanto, attrae meno gli
elettroni più esterni.
Quindi:
n=1
n=2
n=3
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Muovendosi invece all’interno di un periodo, si deve considerare che:
• gli elettroni aumentano di numero, ma rimangono sempre nello
stesso livello di energia e quindi si collocano pressoché alla stessa
distanza dal nucleo;
• l’aumento del numero di protoni comporta una attrazione via via
crescente verso gli elettroni, che occupano sempre lo stesso livello, così
che essi tendono ad avvicinarsi di più al nucleo.
Z=6
Z=7
Z=8
Z=9
Il risultato è che:
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
La diminuzione del raggio atomico è meno marcata e regolare nei
blocchi d e f a causa della particolare forma dei corrispondenti orbitali.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Energia di ionizzazione
Come è noto, nucleo ed elettroni, avendo cariche opposte, si attraggono. Per
staccare gli elettroni dall’atomo è necessario vincere questa attrazione e
quindi fornire energia.
L’atomo che perde uno o più
elettroni, mentre mantiene inalterato
il numero di protoni del nucleo,
assume una o, rispettivamente, più
cariche positive. Si forma, cioè, uno
ione positivo, o catione.
Si dice anche che l’energia di ionizzazione aumenta a mano a mano
che aumenta il numero di elettroni sul livello esterno.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Gli andamenti descritti possono essere messi in relazione con il valore del
raggio atomico. Infatti, più gli elettroni sono lontani dal nucleo, minore sarà
l’energia necessaria per distaccarli. L’energia di ionizzazione è minima nei
metalli alcalini, che danno facilmente ioni positivi, e massima nei gas rari.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Le dimensioni dei
cationi che si
formano sono
inferiori a quelle
dei rispettivi
atomi poiché,
oltre a mancare
un elettrone, il
nucleo esercita
un’attrazione
maggiore su
quelli che
rimangono.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Anche l’andamento dei raggi dei cationi mostra un comportamento
periodico.
In realtà esistono eccezioni, dovute al fatto che sono più stabili le
configurazioni con sottolivelli completamente occupati, seguite da quelle con
sottolivelli semioccupati, mentre non presentano una particolare stabilità le
configurazioni che sono diverse da queste.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Affinità elettronica
Quando un atomo, allo stato gassoso, acquisisce un elettrone, libera una
certa quantità di energia.
Il nuovo elettrone conferisce una carica negativa all’atomo, che diviene
così uno ione negativo o anione.
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Proprietà periodiche
UD10 Tavola periodica
L’affinità elettronica è associabile alle dimensioni dell’atomo: essa è
tanto maggiore quanto più piccolo è il volume atomico. Quanto più
piccolo infatti è l’atomo, tanto più vicino al nucleo si collocherà l’elettrone
acquisito e tanto maggiore sarà la quantità di energia liberata. Pertanto:
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Le dimensioni
degli anioni
sono maggiori
di quelle dei
rispettivi atomi,
vista la
presenza di un
elettrone in
eccesso non
adeguatamente
bilanciata dalla
carica del
nucleo.
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Proprietà periodiche
UD10 Tavola periodica
Anche l’andamento dei raggi degli anioni mostra un comportamento
periodico.
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Proprietà periodiche
UD10 Tavola periodica
Elettronegatività
Abbiamo visto che l’energia di ionizzazione è relativa alla forza di
attrazione esercitata da un nucleo verso i propri elettroni, mentre
l’affinità elettronica indica con quanta forza elettroni estranei possano
essere attirati.
Poiché gli atomi si uniscono utilizzando gli elettroni più esterni, detti perciò
elettroni di legame, è importante conoscere la tendenza dei diversi
elementi ad attrarli. Per indicare il potere di attrazione di un elemento nei
confronti di elettroni di legame, si dovrà tener conto di entrambe le
grandezze appena considerate (energia di ionizzazione e affinità elettronica)
che, opportunamente combinate, danno l’elettronegatività.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
Tra i vari criteri utilizzati per calcolare l’elettronegatività di un elemento, il
più diffuso è quello proposto dal chimico statunitense Linus Pauling, che
ha definito una scala arbitraria assegnando il valore minimo (0,7) al
francio e il massimo (4) al fluoro.
Con questo metodo non è calcolabile l’elettronegatività dei gas nobili, per i
quali si assume il valore 0.
Poiché entrambe le proprietà che la determinano variano nello stesso
modo:
Per questo motivo gli elementi più elettronegativi si trovano a destra in alto
e quelli meno elettronegativi si trovano a sinistra in basso.
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Proprietà periodiche
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UD10 Tavola periodica
La classificazione degli elementi: metalli, nonmetalli e semimetalli
La tavola periodica è attraversata, in diagonale, da una linea a forma di
scaletta:
•gli elementi alla sua sinistra sono detti metalli,
•quelli alla sua destra non-metalli.
•gli elementi che confinano con la linea di separazione sono i semimetalli.
H
He
Li Be
B C N O F Ne
Na Mg
Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Uuu Uub
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk
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Metalli/semi
metalli/non metali
Dy Ho Er Tm Yb Lu
Cf Es Fm Md No Lr
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UD10 Tavola periodica
I metalli sono gli elementi più abbondanti e, in condizioni normali, sono
quasi tutti solidi. Hanno bassa elettronegatività e si trasformano facilmente
in ioni positivi. Questa facilità a perdere elettroni è responsabile di molte
delle loro caratteristiche, quali la conduzione della corrente e del calore
e la tipica lucentezza.
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Metalli/semi
metalli/non metali
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UD10 Tavola periodica
I non-metalli hanno caratteristiche esattamente opposte. Dotati di alta
elettronegatività, divengono facilmente ioni negativi. Non conducono
la corrente né il calore e non hanno la lucentezza tipica dei metalli.
selenio
zolfo
iodio
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Differenti forme di fosforo
Metalli/semi
metalli/non metali
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UD10 Tavola periodica
I semimetalli hanno caratteristiche intermedie. Di particolare importanza
è la loro capacità di condurre la corrente solo in determinate condizioni:
motivo per cui si dicono semiconduttori.
silicio
tellurio
antimonio
germanio
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Metalli/semi
metalli/non metali
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UD10 Tavola periodica
Le caratteristiche manifestate da metalli e da non-metalli dipendono
dall’elettronegatività che a sua volta dipende dalle altre proprietà periodiche,
delle quali si è messa in evidenza la variazione graduale. Ciò spiega la
graduale variazione del carattere metallico degli elementi nella tavola
periodica:
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Metalli/semi
metalli/non metali
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UD10 Tavola periodica