Le proprietà periodiche degli elementi

La tavola periodica organizza gli elementi in base a proprietà periodiche, che sono tendenze ricorrenti nelle caratteristiche fisiche e chimiche. Queste tendenze possono essere previste semplicemente mediante l'esame della tavola periodica e possono essere spiegate e comprese analizzando le configurazioni elettroniche degli elementi. Gli elementi tendono a guadagnare o perdere elettroni di valenza per ottenere una formazione di ottetti stabile. Gli ottetti stabili sono visti nei gas inerti, o gas nobili, del gruppo VIII della tavola periodica. Oltre a questa attività, ci sono altre due tendenze importanti. Innanzitutto, gli elettroni vengono aggiunti uno alla volta spostandosi da sinistra a destra attraverso un periodo. Mentre ciò accade, gli elettroni della shell più esterna sperimentano un'attrazione nucleare sempre più forte, quindi gli elettroni si avvicinano al nucleo e si legano più strettamente ad esso. In secondo luogo, spostandosi verso il basso di una colonna nella tavola periodica, gli elettroni più esterni si legano meno strettamente al nucleo. Ciò accade perché il numero di livelli di energia principale riempiti (che proteggono gli elettroni più esterni dall'attrazione verso il nucleo) aumenta verso il basso all'interno di ciascun gruppo. Queste tendenze spiegano la periodicità osservata nelle proprietà elementali del raggio atomico, energia di ionizzazione, affinità elettronica ed elettronegatività.

Raggio atomico

Il raggio atomico di un elemento è la metà della distanza tra i centri di due atomi di quell'elemento che si toccano l'un l'altro. Generalmente, il raggio atomico diminuisce in un periodo da sinistra a destra e aumenta di un dato gruppo. Gli atomi con i raggi atomici più grandi si trovano nel gruppo I e nella parte inferiore dei gruppi.

Spostandosi da sinistra a destra attraverso un periodo, gli elettroni vengono aggiunti uno alla volta al guscio di energia esterna. Gli elettroni all'interno di un guscio non possono schermarsi a vicenda dall'attrazione per i protoni. Poiché anche il numero di protoni è in aumento, la carica nucleare effettiva aumenta per un periodo. Questo fa diminuire il raggio atomico.

Scendendo di un gruppo nella tavola periodica, il numero di elettroni e di gusci di elettroni riempiti aumenta, ma il numero di elettroni di valenza rimane lo stesso. Gli elettroni più esterni in un gruppo sono esposti alla stessa carica nucleare effettiva, ma gli elettroni si trovano più lontano dal nucleo man mano che aumenta il numero di gusci di energia riempiti. Pertanto, i raggi atomici aumentano.

Energia ionizzata

L'energia di ionizzazione, o potenziale di ionizzazione, è l'energia necessaria per rimuovere completamente un elettrone da un atomo o ione gassoso. Più un elettrone è vicino e strettamente legato al nucleo, più sarà difficile rimuoverlo e maggiore sarà la sua energia di ionizzazione. La prima energia di ionizzazione è l'energia richiesta per rimuovere un elettrone dall'atomo genitore. La seconda energia di ionizzazione è l'energia richiesta per rimuovere un secondo elettrone di valenza dallo ione univalente per formare lo ione bivalente e così via. Le successive energie di ionizzazione aumentano. La seconda energia di ionizzazione è sempre maggiore della prima energia di ionizzazione. Le energie di ionizzazione aumentano spostandosi da sinistra a destra per un periodo (diminuendo il raggio atomico). L'energia di ionizzazione diminuisce spostandosi verso il basso di un gruppo (aumentando il raggio atomico). Gli elementi del gruppo I hanno basse energie di ionizzazione perché la perdita di un elettrone forma un ottetto stabile.

Affinità elettronica

L'affinità elettronica riflette la capacità di un atomo di accettare un elettrone. È il cambiamento di energia che si verifica quando un elettrone viene aggiunto a un atomo gassoso. Gli atomi con carica nucleare efficace più forte hanno una maggiore affinità elettronica. Alcune generalizzazioni possono essere fatte sulle affinità elettroniche di alcuni gruppi nella tavola periodica. Gli elementi del gruppo IIA, le terre alcaline, hanno bassi valori di affinità elettronica. Questi elementi sono relativamente stabili perché hanno riempito S sottoshell. Gli elementi del gruppo VIIA, gli alogeni, hanno elevate affinità elettroniche perché l'aggiunta di un elettrone a un atomo si traduce in un guscio completamente riempito. Gli elementi del gruppo VIII, i gas nobili, hanno affinità di elettroni vicino allo zero poiché ogni atomo possiede un ottetto stabile e non accetterà prontamente un elettrone. Gli elementi di altri gruppi hanno affinità elettroniche basse.

In un periodo, l'alogeno avrà la più alta affinità elettronica, mentre il gas nobile avrà la più bassa affinità elettronica. L'affinità elettronica diminuisce spostandosi verso il basso di un gruppo perché un nuovo elettrone sarebbe più lontano dal nucleo di un grande atomo.

elettronegatività

L'elettronegatività è una misura dell'attrazione di un atomo per gli elettroni in un legame chimico. Maggiore è l'elettronegatività di un atomo, maggiore è la sua attrazione per gli elettroni di legame. L'elettronegatività è correlata all'energia di ionizzazione. Gli elettroni con basse energie di ionizzazione hanno basse elettronegatività perché i loro nuclei non esercitano una forte forza attrattiva sugli elettroni. Gli elementi con elevate energie di ionizzazione hanno elevate elettronegatività a causa della forte forza esercitata sugli elettroni dal nucleo. In un gruppo, l'elettronegatività diminuisce all'aumentare del numero atomico, a seguito dell'aumentata distanza tra l'elettrone di valenza e il nucleo (raggio atomico maggiore). Un esempio di un elemento elettropositivo (cioè a bassa elettronegatività) è il cesio; un esempio di un elemento altamente elettronegativo è il fluoro.

Riepilogo delle proprietà della tavola periodica degli elementi

Spostamento a sinistra → destra

• Il raggio atomico diminuisce
• Aumenta l'energia di ionizzazione
• L'affinità elettronica aumenta generalmente (tranne Affinità dell'elettrone del gas nobile vicino allo zero)
• Aumenta l'elettronegatività

Muoversi in alto → in basso

• Aumenta il raggio atomico
• Diminuisce l'energia di ionizzazione
• L'affinità elettronica generalmente diminuisce spostandosi verso il basso di un gruppo
• L'elettronegatività diminuisce