Prof.F.Tottola Quinta Ch C 2012-13 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. mappa Proprietà periodiche 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. mappa 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 mappa Proprietà periodiche 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=8 Z=9 Z=6 Z=7 Il risultato è che: mappa Proprietà periodiche 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. mappa Proprietà periodiche 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. mappa Proprietà periodiche 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. mappa Proprietà periodiche 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. mappa Proprietà periodiche 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. mappa Proprietà periodiche 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. 11 mappa Proprietà periodiche UD10 Tavola periodica 11

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: mappa Proprietà periodiche 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. 13 mappa Proprietà periodiche UD10 Tavola periodica 13

Anche l’andamento dei raggi degli anioni mostra un comportamento periodico. 14 mappa Proprietà periodiche UD10 Tavola periodica 14

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. mappa Proprietà periodiche UD10 Tavola periodica

Per questo motivo gli elementi più elettronegativi 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. mappa Proprietà periodiche UD10 Tavola periodica

La classificazione degli elementi: metalli, non-metalli 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 Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Metalli/semi metalli/non metali mappa 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. 18 Metalli/semi metalli/non metali mappa UD10 Tavola periodica 18

Differenti forme di fosforo iodio 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 Differenti forme di fosforo iodio 19 Metalli/semi metalli/non metali mappa UD10 Tavola periodica 19

silicio tellurio antimonio germanio 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 Metalli/semi metalli/non metali mappa 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: 21 Metalli/semi metalli/non metali mappa UD10 Tavola periodica 21