Viaggio nel Sistema Periodico

Stiamo per iniziare un viaggio che ci porterà ad attraversare le fantastiche lande della chimica. Nel corso dei prossimi 12 mesi esploreremo i 118 elementi chimici scoperti dall’umanità e le loro straordinarie proprietà, organizzate in modo sopraffino da una delle più grandi scoperte della scienza moderna: il Sistema Periodico degli elementi. Perché è lui il vero protagonista di quest’opera, concepita nel 2019 in occasione del 150enario della prima stesura della tavola periodica, a opera del chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev. Cinque anni fa l’impresa rimase incompiuta ma stavolta ci siamo: l’opera è completa! Qui trovi tutti gli articoli pubblicati finora.

Guida alla scheda elemento

Cominciamo dunque dai fondamentali, dalla legenda necessaria a interpretare la mappa che ci guiderà in questo viaggio. Nel sistema periodico ogni elemento chimico è rappresentato da una casella e da un simbolo preciso e inequivocabile. In tale casella vengono riportate le sue caratteristiche fisiche e chimiche principali, quelle che appunto hanno permesso di scoprire il carattere “periodico” della tavola. Includerle tutte è impossibile, ma si può fare una scelta selezionando le più significative. Eccovi dunque, la scheda di un elemento chimico!

• Numero atomico: il numero di protoni nel nucleo dell’atomo. È il parametro più importante perché identifica univocamente l’elemento chimico. Gli atomi sono infatti costituiti da tre particelle: protoni (carica +1), neutroni (carica 0) ed elettroni (carica -1). I primi due se ne stanno nel nucleo, mentre gli elettroni (2000 volte più leggeri) gli orbitano attorno. Protoni e neutroni non partecipano alla chimica, che è appannaggio degli elettroni, ma siccome cariche opposte si attraggono ecco che ogni atomo possiederà sempre lo stesso numero di protoni ed elettroni. È dunque il numero di protoni nel nucleo a decidere quanti elettroni ci saranno, e la loro disposizione nei livelli energetici determina la chimica dell’elemento. Il numero di neutroni invece può variare e questo genera i cosiddetti “isotopi”: atomi che hanno lo stesso numero di protoni (e quindi la stessa chimica), ma un numero diverso di neutroni (e quindi massa leggermente diversa). La somma di protoni e neutroni, che dunque distingue tra di loro gli isotopi, è chiamata “numero di massa“.
• Valenza: il numero di elettroni che ogni atomo è disposto a scambiare per completare il proprio livello energetico più esterno. Ogni riga della tavola periodica è chiamata “periodo” (che indica il livello energetico più esterno dell’elemento) mentre le colonne sono chiamate “gruppi” e indicano il numero di elettroni detti “di valenza”. Elementi nello stesso gruppo si comportano quindi in modo simile, e ciò permise a Mendeleev di predire l’esistenza di elementi all’epoca ignoti.
• Numeri di ossidazione: simili alla valenza, ma impiegati quando un atomo è parte di un composto. Indicano quale sarebbe la carica di un atomo se tutti gli elettroni che formano il legame chimico venissero attribuiti all’atomo più “affamato” di elettroni. Si indicano solitamente solo i numeri di ossidazione più comuni.
• Peso atomico: è la massa media degli atomi di un elemento quando ne prelevate un campione in natura.  È espressa in unità di massa atomica, o dalton, il cui valore è esattamente pari a un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio-12 (1 u = 1,66∙10^–27 kg). Se in natura esiste un solo isotopo dell’elemento allora tale numero sarà quasi esatto (come per il fluoro, 18,998), altrimenti può essere frazionario (come per il cloro, 35,453) o difficile da determinare con precisione (come per il nichel, 58,7) a causa del variare delle abbondanze isotopiche.
• Elettronegatività: è il “gusto” che ogni atomo ha per rubare elettroni agli altri. Più è alta, maggiore la ladroneria dell’atomo. Quando due atomi sono legati si considerano le rispettive elettronegatività per decidere chi ha rubato gli elettroni a chi (e generare quindi i numeri di ossidazione).
• Raggio atomico: la dimensione dell’atomo, espressa in picometri (millesimi di miliardesimi di metro). Questa è forse la quantità più complicata da definire e misurare. Gli atomi infatti non hanno una dimensione precisa. Le loro nuvole di elettroni sono oggetti probabilistici, volumi di spazio in cui è più o meno probabile trovare la particella. Esistono quindi molte definizioni di “raggio atomico”. Quella scelta è il “raggio covalente”, ovvero la dimensione che ha un atomo quando partecipa in un legame chimico covalente. In pratica è la semidistanza tra due atomi legati insieme.
• Densità: misurata in condizioni standard, ovvero a 0 gradi centigradi a sotto una pressione di 1 bar. Anche le temperature di ebollizione e fusione sono misurate a 1 bar di pressione, se non indicato diversamente.
• Energia di prima ionizzazione: è l’energia richiesta per strappare l’elettrone più esterno. Questo processo può essere ripetuto per ogni elettrone dell’atomo, ma costa sempre di più. Si misura in Joule per mole.
• Spettro: la “firma” elettromagnetica dell’elemento, cioè i colori specifici che vengono emessi quando è sottoforma di gas rarefatto incandescente. Ogni elemento ha una firma spettrale unica, generata da come i suoi elettroni interagiscono con la luce e si muovono tra livelli energetici
• Configurazione elettronica: è un’espressione che descrive brevemente come gli elettroni si dispongono nei vari livelli energetici dell’atomo (indicati dal numero in grande) e nei relativi sottolivelli (indicati dalla lettere s, p, d, f e g, che corrispondono agli orbitali). L’occupazione dei sottolivelli è indicata dal numeretto in apice.
• Stabilità: per alcuni elementi c’è un solo isotopo stabile, per alcuni anche 4-5. Altri ancora sono privi di questo dono ed esistono nel nostro universo per tempi più o meno brevi, prima di trasmutare in elementi più stabili tramite i decadimenti radioattivi.

Oltre a queste informazioni, in ogni articolo troverai la storia di ciascun elemento, da come è stato scoperto all’etimologia del suo nome, come viene prodotto nell’Universo e quali sono le sue applicazioni più importanti. Un po’ per volta seguiremo i periodi e i gruppi della Tavola, addentrandoci nei meandri della chimica fino al regno nucleare e a raggiungere i confini stessi della conoscenza. Buon viaggio!