Gli elementi chimici e la tavola periodica PDF

# Gli elementi chimici Gli elementi chimici sono sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze più semplici. Gli elementi noti sono 118. Alcuni di essi non esistono in natura ma sono elementi artificiali, cioè sono stati osservati solo come prodotti di reazioni nucleari effettuate in...

# Gli elementi chimici Gli elementi chimici sono sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze più semplici. Gli elementi noti sono 118. Alcuni di essi non esistono in natura ma sono elementi artificiali, cioè sono stati osservati solo come prodotti di reazioni nucleari effettuate in laboratorio. Altri elementi, detti elementi nativi, si trovano in natura allo stato puro. Tra questi ci sono molti metalli preziosi come l'oro, l'argento, ecc. ## Gli elementi naturali e artificiali Gli elementi chimici noti sono a oggi 118, 24 dei quali sono stati prodotti esclusivamente in laboratorio. Il numero di questi elementi artificiali potrebbe in futuro aumentare poiché attraverso particolari reazioni nucleari possono formarsi nuovi elementi. Alcuni elementi esistenti in natura sono detti elementi nativi perché si presentano allo stato puro, cioè non sono combinati con altri. I più conosciuti sono metalli preziosi quali l'oro, l'argento e il platino oppure sostanze che si presentano in forma di minerali cristallini come lo zolfo e il fosforo. Un altro elemento importante è il carbonio, che si presenta allo stato nativo in due forme diverse: il diamante e la grafite. ## I simboli degli elementi A ciascun elemento è associato un simbolo chimico, cioè un'abbreviazione che lo rappresenta universalmente. Nella maggior parte dei casi, il simbolo deriva dalla lettera iniziale - scritta sempre con carattere maiuscolo - del nome antico dell'elemento (per esempio H per l'idrogeno, C per il carbonio, ecc.). In altri casi, il simbolo è composto da due lettere. Per questi elementi la prima lettera viene scritta in maiuscolo mentre la successiva in minuscolo (per esempio He per l'elio, Zn per lo zinco). Molti elementi hanno un simbolo che richiama il nome italiano, ma ciò non è una regola. Esistono parecchi elementi, infatti, il cui simbolo non ha niente a che vedere con il nome italiano: per esempio il potassio ha come simbolo K, poiché il simbolo deriva dal nome latino kalium; il rame ha simbolo Cu poiché il suo nome latino è cuprum. La lettura dei simboli chimici deve essere effettuata sempre pronunciando una lettera alla volta, per esempio il simbolo del ferro (Fe) si legge «effe-e»; il simbolo del cobalto (Co) si legge «ci-o». ## La tavola periodica degli elementi La tavola periodica è uno schema in cui appaiono tutti gli elementi chimici, ordinati secondo le loro proprietà chimiche e fisiche. Nel 1869 il chimico Dimitrij Mendeleev intuì che alcuni elementi non erano ancora stati scoperti e lasciò pertanto degli spazi vuoti. Egli si spinse a descrivere anche le proprietà degli elementi allora sconosciuti e le successive scoperte confermarono le sue previsioni. Nella tavola periodica gli elementi sono ordinati in colonne verticali, dette gruppi. I gruppi risultano particolarmente importanti per la classificazione in quanto gli elementi che appartengono a uno stesso gruppo mostrano tra loro delle proprietà chimiche molto simili. Per esempio tutti gli elementi del primo gruppo reagiscono vivacemente se messi a contatto con l'acqua. Gli elementi di alcuni gruppi hanno ricevuto delle denominazioni particolari: - il gruppo 1, eccetto l'idrogeno, è quello dei metalli alcalini, come sodio e potassio - il gruppo 2 contiene i metalli alcalino-terrosi, tra cui magnesio e calcio; - il gruppo 17 è costituito dagli alogeni, come cloro e bromo (dal greco «generatori di sali», perché - come vedremo - formano comunemente questo tipo di composti); - il gruppo 18 è formato dai gas nobili, tra cui elio e neon, così detti per la loro minima tendenza a combinarsi con altri elementi. Le righe orizzontali della tavola periodica sono invece chiamate periodi. All'interno di un periodo, alcune proprietà fisiche o chimiche variano in modo graduale andando da sinistra verso destra. Per esempio, diminuiscono le dimensioni e aumenta la massa degli atomi che costituiscono gli elementi. # I composti chimici Gli elementi possono unirsi in modi diversi e originare un numero virtualmente infinito di composti chimici; molti composti sono di origine naturale, mentre altri sono prodotti artificialmente nei laboratori. Un composto presenta una proporzione ben precisa e definita degli elementi che ne fanno parte, rappresentata attraverso una formula chimica (per esempio, H₂O per l'acqua). Le molecole sono le unità strutturali minime di molti composti, ma anche di alcuni elementi che esistono in natura come molecole poliatomiche anziché come atomi; è questo il caso, per esempio, dell'idrogeno (H2), dell'ossigeno (O2), dell'azoto (N2), del fosforo (P4) e dello zolfo (S8). ## Le proprietà dei composti chimici L'enorme numero di sostanze chimiche che ci circonda è generato dalla combinazione degli elementi chimici presenti nella tavola periodica. Una caratteristica importante dei composti è che essi non mantengono le proprietà fisiche e chimiche degli elementi che li compongono. Inoltre, in un composto gli elementi sono presenti in proporzioni ben definite. Per esempio nell'acqua il numero di atomi di idrogeno è sempre doppio rispetto al numero di atomi di ossigeno, cioè la proporzione è 2 : 1. Questa proprietà dei composti è fondamentale per poterli distinguere dai miscugli, i quali viceversa non possiedono una composizione costante. Per esempio, il miscuglio che si ottiene a partire dal ferro e dal carbonio è una lega detta comunemente acciaio; la proporzione dei due elementi varia però notevolmente nei diversi tipi di acciaio, determinandone le proprietà chimiche e fisiche. Un'altra importante proprietà che distingue i composti dai miscugli è che i composti non possono essere scomposti nei singoli elementi con metodi fisici. Abbiamo visto che ciò è possibile per i miscugli. Questo non significa che i composti non possano essere separati negli elementi che li compongono, ma implica che la separazione debba avvenire attraverso una trasformazione chimica. Tra i numerosi composti utilizzati nella vita di tutti i giorni molti sono di origine naturale, mentre altri sono prodotti artificialmente nei laboratori chimici. Il numero di tali sostanze, dette sintetiche, è molto aumentato negli ultimi anni in seguito agli sviluppi della ricerca. Alcune di queste sostanze sono completamente nuove e non esistono in natura. È il caso dell'aspartame, un dolcificante adoperato nell'industria alimentare che viene utilizzato nei prodotti a basso contenuto calorico. Altre sostanze sono prodotte in laboratorio ma sono del tutto identiche a quelle naturali. In questo caso il vantaggio risiede nel fatto che la produzione in laboratorio è più economica dell'estrazione della sostanza dal prodotto naturale. Tatolta, infine, la sintesi in laboratorio consente di salvaguardare le risorse naturali. ## Le formule chimiche dei composti Una formula chimica è una rappresentazione simbolica del tipo e della quantità di elementi che costituiscono un composto. Nella formula chimica vengono indicati i simboli degli elementi e il numero degli atomi di ciascun elemento che costituiscono la molecola del composto. La molecola è definita come l'unità minima di un composto, ovvero un raggruppamento di due o più atomi che possiede le proprietà chimiche caratteristiche di quel composto. Ogni molecola è pertanto rappresentata da una formula chimica che specifica la composizione chimica del composto. Anche per un piccolo numero di elementi la molecola rappresenta l'unità minima. Per esempio, l'ossigeno, presente nell'aria è una sostanza la cui molecola è formata da due atomi dello stesso elemento uniti tra loro e che viene indicata con la formula O2. Il numero 2 è detto indice e indica la quantità di atomi dell'elemento presenti nella molecola. L'indice viene omesso in caso sia pari a uno, mentre in tutti gli altri casi viene riportato a pedice (in basso) alla destra del simbolo dell'elemento. Le formule vengono lette come vengono letti i simboli degli elementi seguiti dagli indici: per esempio la formula dell'ossigeno O2 si legge <<o-due>>. Oltre all'ossigeno, gli elementi che esistono in natura sotto forma di molecole poliatomiche sono l'idrogeno (H2), gli alogeni (come il cloro, Cl2, e il bromo, Br2), l'azoto (N2), il fosforo (P4) e lo zolfo (S8). Per le formule di alcune sostanze più complesse è necessario usare delle parentesi. Per esempio il solfato di alluminio presenta formula Al2(SO4)3. L'indice 3 moltiplica tutti gli atomi indicati all'interno delle parentesi che lo precedono. Si preferisce scrivere in questo modo anziché Al2S3O12 per mettere in evidenza il fatto che lo zolfo e l'ossigeno sono uniti tra loro a formare un raggruppamento di atomi detto gruppo solfato. La formula del solfato di alluminio si legge «a-elle-due-esse-o-quattro-preso-tre-volte». # Le reazioni chimiche e la conservazione della massa Le reazioni chimiche sono processi che trasformano alcune sostanze, dette reagenti, in sostanze diverse, dette prodotti. Le reazioni chimiche sono rappresentate schematicamente con le equazioni chimiche. In una reazione chimica, la massa delle sostanze che partecipano alla reazione rimane costante. Questa legge è conosciuta come legge di conservazione della massa e venne enunciata dal chimico francese Antoine Lavoisier. Affinché la legge di conservazione della massa venga rispettata, quando si scrive una reazione chimica in forma di equazione è talvolta necessario effettuare il bilanciamento, facendo in modo che il numero totale di atomi presente nei reagenti sia pari a quello presente nei prodotti. A tale scopo, davanti alle formule di reagenti e prodotti si inseriscono i coefficienti stechiometrici. ## Le equazioni chimiche Quando si scrive una reazione chimica lo si fa usando un linguaggio simbolico, simile per alcuni aspetti al linguaggio matematico. I chimici rappresentano le reazioni chimiche attraverso delle equazioni chimiche, all'interno delle quali le sostanze che partecipano alle reazioni vengono rappresentate con i simboli degli elementi e con le formule dei composti. Nelle equazioni chimiche è presente una freccia che indica la direzione in cui avviene la trasformazione: dal lato della coda della freccia vengono scritti i reagenti, mentre dal lato della punta vengono riportati i prodotti; se sono più di uno, vengono associati tramite il segno +. Generalmente la direzione indicata dalla freccia è da sinistra verso destra, ma in alcuni casi la freccia può anche essere invertita. Se è necessario indicare in quale stato di aggregazione si trovano i reagenti e i prodotti, si inseriscono tra parentesi, dopo le formule chimiche, le iniziali dei nomi degli stati di aggregazione: (g) se la sostanza è allo stato gassoso, (1) se si trova allo stato liquido e (s) se si trova in quello solido. Spesso può succedere che i reagenti vengano disciolti in acqua e che l'intera reazione si svolga all'interno di una soluzione acquosa. In questo caso accanto alle stanze che reagiscono si scrive (aq) tra pattesi. ## Conservazione della massa e bilanciamento delle reazioni Alla fine del Settecento, il chimico francese Antoine Lavoisier, effettuando una serie di misurazioni con la bilancia, constatò che la massa delle sostanze che partecipano a una reazione chimica resta costante. Questa serie di osservazioni lo portarono a formulare la legge di conservazione della massa: in una reazione chimica, la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti. Nel corso di una reazione, infatti, nessun atomo viene creato e nessun atomo scompare; gli atomi presenti nei reagenti vengono riarrangiati in nuove combinazioni e vanno a costituire i prodotti. Affinché la legge di conservazione della massa venga rispettata, quando si scrive una reazione chimica in forma di equazione si rende spesso necessario effettuare il bilanciamento, facendo in modo che il numero di atomi presente nei reagenti equivalga a quello presente nei prodotti. Le regole del bilanciamento prevedono che davanti alle formule dei reagenti e dei prodotti si inseriscano dei numeri interi, detti coefficienti stechiometrici o coefficienti di reazione. I coefficienti moltiplicano il numero di atomi di ciascun elemento presente nel composto. Non esistono regole assolute su come procedere nel bilanciamento. Occorre infatti scegliere dei coefficienti, eventualmente correggendoli, fino a che non si ottiene il risultato cercato. È consigliabile però seguire queste semplici indicazioni: - bilanciare per primi gli elementi dei metalli e dei non metalli; - se compaiono da entrambi i lati dell'equazione dei gruppi poliatomici, cioè costituiti da più atomi (come -SO40-CO3), conviene bilanciarli come se si trattasse di un solo elemento; - bilanciare per ultimi gli elementi più comuni, quali idrogeno e ossigeno.