“Siamo polvere di stelle” 4/5-Tavola Periodica degli Elementi

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La Bibbia dei chimici

Complimenti, se hai seguito i post nell’ordine sei arrivato fino a qui e ti manca solo questo ultimo passaggio prima di arrivare, finalmente, all’argomento affascinante di questo viaggio, il premio: l’Evoluzione Stellare.

Dopo aver ripassato un po’ di chimica di base dell’atomo, è obbligatorio fare ora lo stesso con questo argomento collegato, che completa il quadro e ti aiuta ad avere chiarezza. Il doppio post precedente, tra l’altro, aiuta anche a leggere questo doppio post con più serenità, quindi, se non l’hai già fatto, ti consiglio di fiondarti al 4/5-ABC e 4/5-Approfondimenti.

Questo post rispetto all’originale è stato sdoppiato per motivi di lunghezza; in questo modo però risulta più leggero e mi consente di presentare nella seconda parte alcuni spunti interessanti (pure una canzone e un video-party che non devi perdere!), la TPE del “corpo umano” e Tavole alternative particolari che non potevano mancare in una presentazione generale.

Approfitto per ringraziare tutti i professionisti che generosamente hanno reso e rendono disponibili sul web le loro lezioni a slide utilissime e fantastiche, di cui ho fatto in questo post un collage pratico e il più possibile completo: le immagini aiutano enormemente la comprensione! Ringrazio inoltre il chimico “dottor Uranium” per la preziosa e generosa supervisione dei post.

In questa prima parte trovi quindi:
– PTE presentazione
– che succede se ordini tutti gli elementi per numero atomico “Z”?
– massa atomica
– Legge della Periodicità (periodicamente, ad intervalli regolari)
– configurazione elettronica esterna
– caratteristiche importanti per leggere con più scioltezza la PTE:
1 – “scaletta” e 3 categorie (metalli, non-metalli, semi-metalli)
2 – stato a 25° C
3 – struttura della PTE: “Periodi” e “Gruppi”
4 – è tutta una grande famiglia… anzi, sono tante famiglie!
Fermo ora: magia svelata!
5 – orbitali e numeri quantici: come leggerli
6 – configurazione elettronica esterna: come leggerli
7 – dinamica di riempimento degli orbitali

Molti ancora non conoscono la Tavola Periodica degli Elementi qui sotto (esclusa la vasca da bagno, ovvio), non avendo mai fatto chimica. Per questo motivo riproporrò spesso la Tavola in diverse versioni, per te selezionate, per aiutarti a memorizzare meglio, spero ti faccia piacere!

La presento perché è importante per il mio scopo, ma bada, in questa sede serve solo come promemoria per conoscere e memorizzare, per ciascun elemento:

• il nome e il relativo simbolo
• la posizione data dal Numero Atomico Z (e conseguentemente anche la massa A)
• il tipo di elemento (metallo, non-metallo, semi-metallo)
• per i più intrepidi anche la configurazione elettronica

PTE – presentazione

È chiamata “Tavola Periodica degli Elementi” di D.I. Mendeleev, ma qui indicherò d’ora in poi semplicemente PTE, dall’inglese Periodic Table of Elements, o in alternativa “Tavola“.
In essa trovi tutti ma proprio TUTTI gli elementi conosciuti dell’Universo, quindi ci siamo anche noi, la Terra, il Sistema Solare, le galassie … perfino il nostro vicino e la suocera, tutto e tutti!

Non parlerò della storia della Tavola perché servirebbe un altro post, e comunque ne trovi di fatti benissimo sul web; vado invece direttamente e per gradi al succo.

Ti presento, per iniziare, la versione ufficiale, in bianco e in inglese, che comprende anche tutti gli ultimi elementi scoperti, fino al numero 118! Ti sembrerà, a vederla così, complessa e impossibile da comprendere, ma fidati che non è così! Segui questi passi e molta nebbia si diraderà.

Innanzitutto, osservandola in dettaglio, concentrati sul singolo quadratino, che corrisponde ad ogni singolo elemento (proprio come ti avevo anticipato nel 2/5), e considera:

• nome (nell’esempio, Litio)
• simbolo chimico (Li)
• posizione (che è data dal suo Numero Atomico “Z”, in questo caso 3, in alto a sinistra)
• ci sono poi altre informazioni di base utili (“peso atomico A” = 6,941, sotto il nome; “struttura o configurazione elettronica” 2-1, nell’angolo basso a sinistra, e altro ancora che qui però non è indicato perché in questo contesto non è fondamentale per il mio scopo)

Che succede se ora ordini tutti gli elementi per Numero Atomico “Z”?

Succede che ottieni proprio la PTE!
Accade così che “periodicamente” (da cui Tavola “Periodica”), cioè ad intervalli regolari, si incontrano elementi:
– con la stessa configurazione di elettroni- nel livello più esterno
– quindi con proprietà chimiche simili

Di configurazione elettronica esterna ho accennato nel post sull’ABC dell’atomo, quando ho parlato di “ottetto”, ricordi?

Ricordi il simpaticissimo Spongebob (che adoro) che piangeva disperato e anche un po’ capriccioso, perché voleva avere a tutti i costi 8 elettroni- nel livello esterno? È proprio il desiderio più grande per un atomo!

Qui sotto per comodità puoi verificare come gli elettroni- degli elementi allineati in verticale (che corrispondono a quelli evidenziati in rosso nella piccola PTE), nel livello più esterno sono in numero uguale: la 1^ colonna ne ha uno, la 2^ due, la 3^ tre e così via fino alla 8^ (He escluso).

Massa atomica
distribuzione nella Tavola

Dal punto di vista della massa (il “peso” dell’atomo), l’elemento 1, l’Idrogeno che è anche il più diffuso nell’Universo, è il più leggero, e spostandosi da sinistra verso destra (quindi per riga) e dall’alto in basso si passa a numeri più alti, che significa elementi via via più pesanti. Quindi:

• Idrogeno ¹H con n. atomico 1 è il più leggero
• Elio ²He n. atomico 2 è più pesante dell’ ¹H ma più leggero di tutti i seguenti
• Litio ³Li n. atomico 3 è più pesante dell’ ¹H e ancor più del ²He ma più leggero dei seguenti… e così via

Cos’è la PTE?

La PTE (ricordo, Periodic Table of Elements) è “lo schema con il quale vengono ordinati gli elementi sulla base del loro numero atomico Z crescente”.

I chimici hanno sempre tentato di ordinare le sostanze studiate in base a somiglianze che permettessero di raggrupparle in modo schematico. Ordinando tali elementi per numero atomico si ottiene infatti di poterne prevedere le caratteristiche chimico-fisiche.

“Legge della Periodicità”
periodicamente, ad intervalli regolari

La PTE è organizzata secondo questa legge:
“le proprietà chimiche e fisiche variano in funzione del Numero Atomico, secondo intervalli regolari“.

Le caratteristiche degli elementi sono cicliche, si ripetono con uno stesso intervallo. Disponendo in fila il numero atomico crescente, le proprietà chimico-fisiche tendono a ripetersi ogni 7 elementi (considerando, come vedrai, i rappresentativi “A” ed escludendo i gas nobili che sono neutri), quindi l’8° elemento presenta caratteristiche simili al 1° (da qui il senso di “periodicità” e la legge dell’ottava)

Configurazione elettronica esterna

Come dicevo prima, gli elementi in colonna sono simili perché hanno lo stesso numero di elettroni- esterni, la cosiddetta “configurazione elettronica esterna”. Il guscio esterno è detto anche guscio di “valenza“ ed è chiaramente visibile in questo zoom sui primi 20 elementi. “Configurazione elettronica” quindi non è altro che la disposizione degli elettroni- nei vari gusci energetici.

Le caratteristiche importanti per poter leggere con più scioltezza la PTE

In questa parte ti spiego molto brevemente:

• “scaletta” e 3 categorie
• stato a 25 ° Celsius (77° F)
• struttura: “Periodi” e “Gruppi”
• una Grande Famiglia … tante famiglie
• come leggere orbitali e numeri quantici
• come leggere la configurazione elettronica esterna
• dinamica di riempimento degli orbitali

1 – “scaletta” e 3 categorie

Dunque, la Tavola è molto complessa e si presta a vari tipi di letture in base a dove si fissa l’attenzione. Allora cerco di fare chiarezza, che è sempre lo scopo divulgativo di questo blog: gli elementi nella PTE sono classificati in 3 categorie principali, divisi da una linea a zigzag o “scaletta”:

• a sinistra della scaletta i “metalli” (sopra in rosa)
• a destra i “non-metalli” (in verde)
• componenti della scaletta i “semi-metalli”, detti anche metalloidi (in marrone)

Applicando questo schema nella PTE completa, hai già una prima buona chiave di lettura.

Categoria 1: “metalli“

• sono atomi che tendono a perdere elettroni- diventando di conseguenza Ioni⁺/cationi
• quindi hanno bassa energia di prima ionizzazione (basta poca energia per strappare l’elettrone-) e di conseguenza facile estrazione di elettroni–
• solidi (eccetto il mercurio Hg che è liquido)
• con una caratteristica lucentezza, malleabilità e duttilità
• buoni conduttori di calore ed elettricità

I metalli sono quindi caratterizzati da:

• bassa Energia di Ionizzazione (quella che serve per strappare l’elettrone- esterno)
• affinità elettroniche piccole o positive
• bassa ElettroNegatività (“quanto” un atomo è capace di attirare a sé un elettrone- di un altro elemento: se tende facilmente a perderlo, ha poco potere attrattivo)

I metalli tendono quindi a diventare cationi+ perdendo gli elettroni- di valenza.

Categoria 2: “non-metalli”

• sono atomi che tendono ad acquistare elettroni- diventando di conseguenza Ioni^–/anioni
• quindi hanno alta energia di prima ionizzazione (serve molta energia per strappare l’elettrone-) e di conseguenza difficile estrazione di elettroni–
• gas o solidi (eccetto il bromo Br che è liquido) che non presentano caratteristiche metalliche
• non sono lucenti né duttili né malleabili, al contrario fragili
• non conducono bene elettricità e calore, quindi sono isolanti

I non-metalli sono invece caratterizzati da:

• alta Energia di Ionizzazione (quella che serve per strappare l’elettrone- esterno)
• affinità elettroniche negative e grandi
• alta ElettroNegatività (“quanto” un atomo è capace di attirare a sé un elettrone- di un altro elemento: se tende facilmente ad acquistarlo, ha molto potere attrattivo)

I non-metalli tendono quindi a diventare anioni- acquistando elettroni-.

Una comoda tabella riassuntiva che compara le proprietà di metalli e non-metalli, per fissare bene queste differenze.

Categoria 3: “semi-metalli”

• hanno caratteristiche intermedie tra metalli e non-metalli; aspetto e alcune proprietà tipiche dei metalli, ma comportamento chimico da non-metalli
• aspetto brillante o opaco
• solidi
• duttili e malleabili
• a differenza dei metalli, aumentano la propria conducibilità elettrica all’aumentare della temperatura
• conducono l’elettricità meno dei metalli e più dei non-metalli

Un riassunto generale

Ti propongo anche questa seconda immagine dei semi-metalli perché, se osservi attentamente te ne accorgi, in questa è evidenziato il Po cioè Polonio, mentre nella precedente l’At, Astanio. Più spesso l’At è evidenziato solo come nel gruppo degli alogeni, che vediamo dopo, e a volte non è segnato neanche il Po, ma sappi che fanno parte entrambi della “scaletta”.

Ora un riepilogo dei primi 20 elementi della PTE, in ordine di numero atomico Z e la categoria corrispettiva: gas nobile (in nero), metallo (in rosso), non metallo (in blu), non metallo ALOGENO (in blu).

Una considerazione non scontata

Quando guardi la Tavola, non devi pensare ai termini “metallico” e “non metallico” nel senso comune, visualizzando il duro freddo chiodo, ad esempio. Sono al contrario qualità intrinseche di un elemento, qualità che hanno a che fare con il suo comportamento in base alle circostanze. Anche perché, se ci rifletti un attimo, è ovvio: stiamo parlando di atomi, incredibilmente piccoli, e delle loro caratteristiche chimiche.

Le caratteristiche metalliche aumentano nella Tavola, procedendo verso sinistra e verso il basso (EI, affinità elettronica ed elettronegatività sempre più basse).

Tornando alla PTE. Ora che conosci questa prima importante suddivisione, già sei in grado di leggere un po’ meglio i dati:
– peso crescente in base al numero atomico “z”
– configurazione elettronica esterna ciclicamente ripetuta ogni 7
– suddivisione in base alla “scaletta”

2 – Stato a 25 gradi Celsius (77° F)

L’altra caratteristica che puoi leggere nella PTE, oltre alla suddivisione in base alla “scaletta”, è lo stato degli elementi alla temperatura di 25 gradi (77° F).
Ecco in che stato li troviamo, visibili nella piccola Tavola sottostante:

• la maggioranza solidi (in rosa)
• 2 soli liquidi (Hg mercurio e Br bromo, in rosso)
• pochi gas (i gas nobili, oltre ad N azoto, O ossigeno, F fluoro, Cl cloro e il nostro caro amico H idrogeno, in giallo)

Bene, forse può bastare così per conoscere la Tavola?
Ma figùrati!

Occhio ai colori!

Arrivati a questo punto la faccenda sembra complicarsi, perché infatti trovi un altro tipo di divisione di colori (tolti i “gas nobili” sempre riconoscibili e la “scaletta” altrettanto visibile), decisamente diverso da prima.
Di cosa si tratta? Come mai i colori sono distribuiti in quello strano modo?

3 – Struttura della PTE:
“Periodi” e “Gruppi“

Il Sistema Periodico o PTE può essere letto sia in senso orizzontale che in senso verticale:
– in orizzontale nei Periodi trovi proprietà variabili con continuità
– in verticale nei Gruppi trovi proprietà chimiche simili

Periodi – righe

• ogni periodo è indicato da un numero progressivo all’estrema sinistra della Tavola (7, in corrispondenza dei 7 valori del “numero quantico principale“, ne ho accennato nell’ABC ricordi?)
• gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico “Z” crescente
• i periodi non hanno tutti la stessa lunghezza, infatti

1° periodo (piccolissimo): solo 2 elementi
2° e 3° periodo (corti o piccoli): 8 elementi
4° e 5° periodo (lunghi): 18 elementi
6° periodo (lunghissimo): 32 elementi (compresi i 14 a parte, i “lantanidi”)
7° periodo (incompleto): oggi arriva fino al 118 (compresi ovviamente i 14 a parte, gli “attinidi”)

• lungo il periodo le proprietà chimiche e fisiche variano gradualmente, perché la configurazione elettronica si completa gradualmente fino ad arrivare ai gas nobili che hanno il guscio esterno (configurazione elettronica esterna) completo

Il tipo di orbitale più esterno occupato da uno o più elettroni-, condiziona le proprietà chimiche dell’elemento e la sua posizione nella Tavola.

Gruppi – colonne

In totale sono 18, però come vedi da questa immagine e dalla prossima …

… con 2 distinte numerazioni, una recente e una tradizionale:
– numeri arabi da 1 a 18: consequenziali
– lettere e numeri romani: A (I-VIII) e B (I-VIII, dove però l’8° gruppo contiene 3 gruppi) disposti in modo particolare

Così ci sono 3 regioni principali:

• a sinistra 2 gruppi (“A“)
  1 = IA
  2 = IIA

• al centro 10 gruppi (“B – metalli di “transizione”)
  3 = IIIB
  4 = IVB
  5 = VB
  6 = VIB
  7 = VIIB
  8/9/10 = VIIIB
  11 = IB
  12 = IIB
  quindi da 3 a 12, che comprendono anche le due serie di lantanidi e attinidi per ragioni di spazio spostate sotto

• a destra 6 gruppi (“A”)
  13 = IIIA
  14 = IVA
  15 = VA
  16 = VIA
  17 = VIIA
  18 = VIIIA

Gruppo “A” – principali / rappresentativi

I 2 gruppi a sinistra (blocco “s“) e gli 8 a destra (blocco “p“) sono quelli principali o rappresentativi “A”.

Gruppo “B” – di transizione

I 10 gruppi centrali sono i gruppi “B” degli elementi di transizione (blocco “d“ e blocco “f“)

Ogni gruppo o singola colonna riunisce gli elementi con configurazioni elettroniche esterne simili e quindi comportamento chimico simile, perché le proprietà chimiche non dipendono dal numero atomico ma dalla configurazione esterna.

4 – È tutta un grande famiglia… anzi, sono tante famiglie!

Torno alla PTE con tutti quei diversi colori ed ora cominci a comprendere che la spiegazione non è poi così tremenda.
Alcuni elementi mostrano caratteristiche simili e sembrano quindi formare delle “famiglie” (tento di riportare i colori della tabella sottostante per comodità, ma non è facile):

“metalli alcalini” del blocco “s”, gruppo 1 (IA) – notare che H non ha lo stesso colore del gruppo, bensì dei non-metalli

“metalli alcalino-terrosi” del blocco “s”, gruppo 2 (IIA)

“metalli di transizione” del blocco “d”, gruppo 3-12 (I-VIIIB)

“lantànidi” o “terre rare” (metalli del blocco “f”, per motivi di spazio staccati e spostati in basso)

“attìnidi” o “elementi transuranici” (metalli del blocco “f”, per motivi di spazio staccati e spostati in basso)

“metalli di post-transizione”– altri metalli, nel blocco “p” (alla sinistra della scaletta: Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi)

“semimetalli o metalloidi” nel blocco “p” (la famosa “scaletta”: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po)

altri “non-metalli” del blocco “p” (C, N, O, P, S, Se, compreso l’Idrogeno H che fa eccezione)

“alogeni” (non-metalli del blocco “p”, incluso At)

“gas nobili” (non-metalli del blocco “p”, l’He ha però la configurazione elettronica del blocco “s“)

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Alcuni esempi di “reattività” nei vari blocchi

Blocco “S”:
metalli molto elettropositivi, reagiscono (alcuni violentemente) con l’acqua

• i “metalli alcalini” (gruppi I e II) avendo solo 1 e 2 elettroni- esterni, debolmente trattenuti dal nucleo, sono molto reattivi perché perdono facilmente questi elettroni- esterni formando così Ioni+ stabili (+1 gli alcalini, +2 gli alcalino-terrosi)
• gruppo IA (Li, Na, K, Rb, Cs), metalli alcalini, hanno aspetto argenteo, sono teneri e bassofondenti
• gruppo IIA (Be, Mg, Ca, Sr, Ba), metalli alcalino-terrosi, relativamente più duri e altofondenti, ma meno reattivi degli alcalini

Blocco “P”:
gruppo 17 (VIIA), gli “alogeni”

• non-metalli caratterizzati tutti da molecole bi-atomiche, possono presentarsi solidi (Iodio), liquidi (Bromo) o gassosi (Cloro e Fluoro)
• alogeno significa “generatori di sali”, sono fortemente reattivi

gruppo 18 (VIIIA), i “gas nobili”

• caratterizzati da grande inerzia chimica poiché lo strato esterno è completo e quindi molto stabile (in realtà reagiscono anche loro)
• hanno elevata EI e Affinità elettronica positiva, quindi reattività praticamente nulla

Blocco “F”:
“lantanidi”, metalli
“attinidi”, instabili e radioattivi

Idrogeno, Elio, Astanio (H, He, At) – casi particolari

¹H

• tutti i non-metalli si trovano nell’angolo in alto a destra della tavola periodica, ad eccezione dell’Idrogeno H, elemento chimico a se stante nella PTE: sta in testa al 1° gruppo dei metalli alcalini ai quali assomiglia per la configurazione elettronica di valenza, ma potrebbe stare anche in testa agli alogeni, non-metalli del 17° gruppo, avendo un elettrone in meno del gas nobile Elio e comportandosi di solito come un non-metallo

²He

• anche l’Elio He, pur essendo un gas nobile e quindi un non-metallo del gruppo 18-VIIIA blocco “p”, ha tuttavia la configurazione elettronica esterna simile a quella degli alcalino-terrosi, con 2 elettroni-, del gruppo 2-IIA blocco “s”

⁸⁵At

• l’Astato At è sì un alogeno quindi non-metallo, ma possiede anche caratteristiche metalliche e per questo viene considerato da alcuni un semi-metallo

In queste 2 immagini puoi distinguere chiaramente i gruppi principali (alcalini, alcalino-terrosi, alogeni e gas nobili, non-metalli, metalli di transizione, lantanidi e attinidi).

Altra versione. A forza di vederne ripetute e diverse, ormai ti saranno facilmente entrate in testa.

La stessa in inglese, per i nostri amici visitatori stranieri.

Fermo ora: magia svelata!
Ricordi la “configurazione elettronica esterna” e gli orbitali ?

Come quando dicevo che mettendo in ordine di numero atomico gli elementi si ottiene la PTE, allo stesso modo mettendo in colonna gli atomi con la stessa configurazione esterna salta fuori proprio la PTE.

Quelli che fino a qui ho chiamato “blocchi”, sono in realtà proprio i nostri “orbitali”: “s, p, d, f”! Come vedi sotto:

• nella cornice rossa “s” (2 gruppi)
• nella cornice viola “p” (6 gruppi)
• nella cornice azzurra “d” (10 gruppi)
• nella cornice gialla “f” (2 gruppi)

Visto? La magia è svelata, ora sei in grado di associare i famosi orbitali o livelli energetici degli elettroni- alla Tavola Periodica degli Elementi! Non male eh?!

5 – Orbitali e Numeri Quantici
come leggerli

Ricordi che ho accennato, nel post ABC e in quello sugli Approfondimenti, agli orbitali? Come avevo detto, gli orbitali sono regioni dello spazio intorno al nucleo dell’atomo, in cui è più probabile trovare l’elettrone–. Qui abbiamo i 4 tipi di orbitale, dall’alto in basso “s, p, d, f”.

Altra immagine che ci mostra la forma dei primi 3, ma anche l’orientamento (Numero Quantico 3).

Qui invece una comodissima “mappa concettuale” che mette in relazione il tipo di orbitale con i Numeri Quantici:
. “s” sferico (da 1 a 2 elettroni-)
– “p” a doppio lobo (ha 3 orbitali P e 2×3 = 6 elettroni-)
– “d” a quattro lobi (dal 3° livello di energia, ha 5 orbitali D e 2×5 = 10 elettroni-)
– “f” a otto lobi (dal 4° livello di energia, ha 7 orbitali F e 2×7 = 14 elettroni-)

Per aiutarti in una comprensione di tipo elementare, non avanzata, aggiungo anche questa scheda. Cosa interessa a te della tabella qui sotto?
Direi le colonne:
– 1: livelli energetici n (1, 2, 3, 4)
– 4: tipo di orbitale (s, p, d, f)
– 5: nome dell’orbitale (legato al livello energetico, 1s, 2s 2p, 3s 3p 3d, 4s 4p 4d 4f)
– 6: numero massimo di elettroni- per orbitale

Ad ogni Livello Energetico o guscio (n) corrisponde uno o più Tipi di Orbitale:
1° livello = orbitale “s”
2° livello = orbitali “s” e “p”
3° livello = orbitali “s”, “p” e “d”
4° livello = orbitali “s”, “p”, “d” ed “f”

A seconda del livello energetico, l’Orbitale prende il suo Nome:
1° livello = orbitale “1s”
2° livello = orbitali “2s” e “2p”
3° livello = orbitali “3s”, “3p” e “3d”
4° livello = orbitali “4s” “4p” “4d” “4f”

Infine ogni orbitale può avere un numero massimo di elettroni-:
1° livello: orbitale “1s” = max 2 elettroni- (sotto, nel 1° gruppo vedete “s” con esponente 1, nel 2° gruppo esponente 2…)
2° livello: orbitali “2s” e “2p” = 2+6 = max 8 elettroni- (qui nei gruppi da 13 a 18 l’esponente della “p” va da 1 a 6)
3° livello: orbitali “3s”, “3p” e “3d” = 2+6+10 = max 18 elettroni-
4° livello: orbitali “4s”, “4p”, “4d” e “4f” = 2+6+10+14 = max 32 elettroni-

Ricorda quindi che i gruppi “s” e “p” del blocco “A” rappresentano la configurazione elettronica esterna e non possono quindi avere più di 8 elettroni-.

6 – Configurazione elettronica esterna
come leggerla

Qui abbiamo l’esempio concreto, per i 7 periodi e il gruppo A, della configurazione elettronica esterna di cui ho parlato.

• il numero davanti alla lettera (1s) indica il periodo, da 1 a 7
• il numerino sopra la lettera a destra indica il numero di elettroni nella configurazione elettronica (s¹)

Quindi, configurazione elettronica esterna, massimo 8 elettroni-.

La precedente immagine la puoi integrare con questa, che spiega come si dispongono gli elettroni- nel riempire ciascun orbitale o casella (“regola di Hund”): si riempiono prima tutte le caselle di un blocco con elettroni- con lo spin in un verso (la freccia in alto), e solo una volta riempite tutte le caselle di quel blocco in questo modo, procedono anche nell’altro verso, spin anti-parallelo (freccia in basso).

I gruppi B sono invece costituiti da elementi che riempiono gli orbitali “d” ed “f” di livelli più interni, non più superficiali (ecco perché dicevo della regola dell’ottetto che riguarda il livello più esterno), elementi detti “di transizione”.

7 – Dinamica di riempimento degli orbitali

Il tipo di orbitale più esterno, occupato da uno o più elettroni-, condiziona le proprietà chimiche dell’elemento e la sua posizione nella tabella.

L’energia degli orbitali procede secondo un ordine ben preciso, e questa tabella dovresti ricordarla dal post ABC, ma approfitto qui per chiarire meglio, perché messa così dice poco o niente se non sei pratico e se non hai seguito fin qui anche gli altri post.

Il riempimento procede con la sequenza indicata dalle frecce, quindi è facile, basta seguire le frecce, ma nel farlo devi essere preciso mi raccomando! Ricorda bene le istruzioni:
– parti dal basso, dal primo livello “1s”
– per proseguire su ogni freccia successiva riparti dall’inizio, da destra
– aggiungi orbitali (caselle) fino ad incontrare una nuova “s” che fa parte del livello successivo
– parti infatti sempre, per ogni nuovo livello, dal primo orbitale che è l’s

Applicando questa procedura dovresti ottenere questi risultati, verifica:
1° – il primo orbitale che incontri è 1s
2° – il secondo è 2s, 2p
3° – il terzo è 3s, 3p
4° – il quarto è 4s, 3d, 4p
5° – il quinto è 5s, 4d, 5p
6° – il sesto è 6s, 4f, 5d, 6p
7° – il settimo ed ultimo è 7s, 5f, 6d, 7p

Applicando tale ordine di riempimento direttamente alla disposizione degli elementi nella PTE, cominci a capire per quale ragione gli elementi hanno preso quella particolare strana posizione all’interno della Tavola.

Leggendo i sottolivelli allineati in orizzontale, ottieni esattamente l’ordine di riempimento. Nella PTE qui sotto hai inserito anche il blocco “f” che solitamente invece è separato per motivi di spazio.

Mi sembra tutto un po’ più chiaro, non trovi?!

Quindi il riempimento degli orbitali atomici è alla base della definizione di “periodicità”, quella per cui ogni 7 elementi il ciclo si ripete. Qui vedi l’ordine di riempimento mostrato in un altro modo, in base all’energia in aumento: se hai capito come funziona, e tutto sommato non dovrebbe essere così difficile, comprendi che qui sotto l’ordine di riempimento è semplicemente in base ad ogni orbitale che trovi salendo dal basso, in ordine verticale, niente panico quindi!

Lo stesso ordine verticale che segue l’aumento di energia, comodamente percorribile grazie alle frecce, e sull’angolo destro una versione più complicata da seguire perché la direzione è diversa ma l’essenza non cambia.

L’ordine di riempimento degli orbitali è quindi questo, leggendo gli orbitali partendo dall’alto riga per riga, così puoi anche verificare di aver capito.

Per ogni orbitale si possono avere due 2 elementi chimici, a seconda che vi siano inseriti 1 o 2 elettroni-. Ricordi che gli orbitali sono rappresentati da quadratini (o righette orizzontali) mentre ogni singolo elettrone- da una freccia (in su o in giù a seconda dello spin o momento angolare)?
Mi raccomando, nel riempimento di alcuni orbitali aventi la stessa energia, ricorda la “regola di Hund”: prima si riempiono solo con uno spin, poi con lo spin contrario.

Gli orbitali “f” sono stati ora spostati in fondo alla figura per esigenze di spazio, mentre la loro posizione originaria è indicata dagli asterischi.

Visto che per ogni orbitale si possono avere 2 elementi chimici, correttamente si raddoppiano di conseguenza i quadratini (gli orbitali). Se inseriamo all’interno i numeri degli elementi chimici e i loro simboli otteniamo la PTE.

Ecco ben visibili i livelli, i blocchi e l’ordine di riempimento. Il blocco “f” come detto si inserisce negli ultimi due livelli tra il blocco “s” e il “d”.

Lo stesso qui sotto, in un’altra versione, per il tuo piacere.

Eccoci: secondo me, arrivato/a qui non sei così esausto/a come magari avresti immaginato. Ti faccio i miei complimenti se sei ancora tutto/a intero/a!

Terminata questa prima parte, con gli strumenti che ora hai a disposizione ti sarà molto più facile comprendere sia quando si parla di elementi chimici, sia quando si fa riferimento alla “Tavola Periodica degli Elementi”.
Non perderti però la seconda parte! Contiene un riepilogo ma soprattutto:
– alcuni spunti interessanti e divertenti sulla PTE
– la Tavola del “corpo umano”
– il “Chemical Party”
– la PTE cantata in inglese
– oltre alle Tavole dinamiche con le quali giocare

Link della serie:
– “Siamo polvere di stelle” 1/4 – corpo umano e ambiente terrestre
(Elementi e chimica: il “continuo ciclo degli elementi tra le sfere terrestri, litosfera, atmosfera, idrosfera, biosfera”)
– “Siamo polvere di stelle” 2/5 – gli elementi nel corpo umano
(4 costitutenti, 7 macro e 39 micro e oligo elementi, di cui 19 essenziali)
– “Siamo polvere di stelle” 3/5_A – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, tutti gli essenziali)
– “Siamo polvere di stelle” 3/5_B – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, i non essenziali ed “elenco dei materiali di Bio-edilizia”)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5-ABC dell’Atomo
(breve ripasso di chimica e fisica propedeutico all’evoluzione stellare: atomi, ioni, isotopi, livelli energetici, Quanti e molecole)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5-Atomo, approfondimenti
(5 affascinanti approfondimenti sull’atomo: è vuoto? com’è la sua vita? le 4 interazioni fondamentali? si può fotografare? orbite o orbitali?)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica degli Elementi
(ultimo passo propedeutico all’Evoluzione Stellare; non può mancare un breve ripasso della Tavola scientifica più famosa)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica, integrazioni
(non devi assolutamente perderti la PTE del “corpo umano” e il “Chemical Party”, oltre alle Tavole dinamiche e alternative)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_1ob – Evoluzione stellare: origini e nascita
(1ob – dalla nascita all’età adulta: si accende o non si accende questa stella? Primo scoglio delle 0,08 masse solari!)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_2mss – Evoluzione stellare: Sequenza e Sole
(2mss – Sequenza e Sole: l’età adulta nella Sequenza Principale e il destino di stelle come il Sole e più piccole, secondo scoglio delle 4 masse solari!)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_3dt – Evoluzione stellare: morte e trasformazione
(3dt – Morte e Trasformazione: le stelle molto più massicce del Sole hanno “le ore sempre più contate”, cosmicamente parlando, e quando esplodono lasciano un testimone davvero eccezionale! Terzo scoglio delle 8 masse solari)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_4tcd – Evoluzione stellare: danze turbolente catastrofiche
(4tcd: Turbulence Catastrophic Dances: sconfinati spazi “vuoti” e poi zone infernali dinamiche caotiche apocalittiche. Sistemi binari e multipli di tutti i tipi immaginabili ti stupiranno in questa lunga carrellata)

Link utili:
– supervisione preziosa del Dottor Uranium
– “Periodicità delle proprietà chimiche – l’armonia della materia“, slides di Michelangela Salvatori
– “La struttura dell’atomo e la Tavola Periodica“, slides di Cristiana Mele
– “Proprietà generali degli elementi della Tavola Periodica“, slides di Silvia Pagano
– “I Numeri Quantici“, slides di Damiano Lupi

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