REGNO PERIODICO

IL REGNO PERIODICO

Viaggio nel mondo degli elementi chimici

Di Peter W. Atkins Presentazione di: Vaccari, Gravaghi, Mondiali, Papa, Bandini

prEMESSA:

In questo libro Atkins ci propone una visuale "dall'alto" sulla tavola periodica di Mendeleev, paragonandola ad una regno di cui ogni elemento chimico ne costituisce una regione.

InDICE

04. LE SCOPERTE

01. IL TERRITORIO

05. I NOMI DELLE REGIONI

02. I PRODOTTI DELLE REGIONI

06. L'ORIGINE DEL TERRITORIO

03. GEOGRAFIA FISICA

01. il territorio

IL "REGNO PERIODICO"

Iniziamo con una presentazione del regno degli elementi chimici, cioè le sostanze di cui è fatta la materia attorno a noi.

INFORMAZIONI PRINCIPALI

In totale gli elementi, o come definisce lo scrittore le "regioni", sono 118; alcuni sono solamente ipotetici, mentre altri sono stati scoperti di recente. Questo è un territorio orgnizzato, dove le varie regioni hanno caratteristiche simili a quelle vicine, mentre il "paesaggio" presenta cambiamenti graduali.

METALLI, NON METALLI E SEMIMETALLI

(presentazione del "regno periodico")

All'interno di questo territorio sono presenti le regioni lucide e scintillanti dei metalli, zona per lo più uniforme con tenue gradazioni, indice di una varietà di caratteristiche e per di più troviamo colori come il forte bagliore dell'oro e il rossiccio del rame.

Verso est invece è presente una varietà di regioni con colori che vanno dal rosso intenso al marrone, come la regione del bromo. Si trova una grande varietà forme e di colori, che aumenta sempre di più quando ci si avvicina alla costa orientale. Però ci sono anche elementi con un aspetto metallico, con una peronalità meno netta ( silicio, arsenico, polonio e il tellurio ).

GRADAZIONE DEI COLORI

Alcuni elementi possono presentarsi con colori diversi e sono definiti forme allotropiche di un elemento. Gli alogeni ad esempio hanno una rande gradazione cromatica ( da un elemento quasi incolore al colore rossastro del bromo e al nero dello iodio ).

La variazione dei diversi colori è dovuta a causa della gradazione delle diverse proprietà degli elementi. In questo capitolo possiamo dire che si parla di una bellezza della chimica che sta proprio nella scoperta di ritmi profondi e sotterranei che attraversano i diversi elementi della tavola periodica e li fanno raggruppare in famiglie.

Alcune di queste regolarità inoltre sono invisibili ad occhio nudo. L’ossigeno è il messaggero universale della vita ed è indispensabile, come anche l'azoto. Molti processi della biologia e dell’industria si basano sulla cattura dell’atmosfera, essa definita anche fissazione dell’azoto cioè un processo di importanza per la vita sulla terra.

L’azoto serve principalmente per costruire le proteine e la trasmissione di un informazione ereditaria è basata sull’azoto che è un costituente del DNA.

Nella costa orientale sono presenti sempre elementi gassosi, ma per lo più inattivi. Inizialmente erano chiamati gas rari, perché si credeva che fossero poco abbondanti. Successivamente vennero chiamati per lo più gas inerti, perché questi elementi sono riluttanti a combinarsi con altri elementi. L’idrogeno infine è l elemento più abbondante dell’atmosfera, nonché il combustibile delle stelle.

02. I PRODOTTI DELLE REGIONI

Il regno, come abbiamo già visto, è suddiviso in parti geografiche ben distinte tra loro e ogni regione, nella maggior parte dei casi, possiede caratteristiche chimiche simili ai suoi vicini.Questo diventa fondamentale per scoprire cosa ogni elemento è in grado di fare grazie alle sue abilità uniche e grazie ad alleanze che, se sfruttate al meglio, possono portare grande beneficio all'umanità.

02. I prodotti delle regioni

Geografia del Regno

Il regno quindi si divide regioni che convivono in macro territori che ne descrivono le caratteristiche. Queste regioni sono:

• Metalli alcalini e alcalino terrosi che occupano la parte occidentale;
• I metalli di transizione che occupano una posizione centrale;
• Gli alogeni e i gas nobili che occupano la zona orientale;
• I non metalli, posizionati in mezzo ai due precedenti;
• I lantanidi e gli attinidi, territorio chiamato Isola del Sud appartenente ai metalli di transizione.

Mappa del Regno Periodico

02. I metalli alcalini

Il Rettangolo Occidentale

La parte a Ovest è occupata dai matalli alcalini e alcalino-terrosi.Questi metalli hanno la particolarità di non trovarsi in natura mai allo stato natio perchè altamente reattivi. Un esempio per provare questa reattività è mettere in contatto questi elementi con l'acqua. Infatti spostandoci verso Sud noteremo un aumento della forza di reazione . A causa di ciò non sono molto usati ma tra loro spicca il sodio, usato in cucina sotto forma di sale e fondamentale per i collegamenti neurali del cervello.

03. I metalli alcalino-terrosi

Il Rettangolo Occidentale

I metalli alcalino terrosi condividono la caratteristica reattiva dei vicini, ma vengono usati maggiormente in natura.Il calcio, per esempio costituisce un ottimo materiale per costruzioni dure e resistenti nel tempo, come mattoni in case antiche e ossa negli endoscheletri. Un altro elemento fondamentale è il magnesio che fa da occhio per la fotosintesi clorofilliana delle piante, attirando a se i raggi solari.

02.i metalli di transizione

L'Istmo e il Deserto Occidentale

L'Istmo fa da ponte tra i due Rettangoli e al suo interno sono presenti elementi che sono stati, sono e possibilmente saranno fondamentali per la ricerca e evoluzione dell'uomo. Evolvendosi prima l'uomo ha incontrato diversi metalli tra cui il rame, molto duttile e resistente alla corrosione; più tardi, riesce a manipolare il ferro rendendolo uno strumento cruciale per azioni quotidiane e guerre; inizia poi a creare leghe tra i diversi elementi che rendono il metallo molto più resistente e tagliente (es. acciaio); infine pensa di spostarsi al titanio per la conquista dello spazio garantita dalla sua durezza e al suo peso leggero. Questo territorio infatti è molto legato alla storia umana anche grazie all'oro e all'argento che hanno accompagnato ogni scambio commerciale nella storia grazie alla loro formidabile resistenza alla corrosione.

02gli alogeni

Rettangolo Orientale

Il Rettangolo Orientale nella zona Est è occupata dagli alogeni che vengono usati in moltissimi campi, anche opposti. Un esempio ne è il cloro, componente fondamentale del sale da cucina ma in stato gassoso capace di uccidere microbi e uomini; inoltre grazie alla sua altissima reattività, raggiunta l'atmosfera è in grado di distruggere lo strato di ozono che ci protegge dai raggi UV.Il bromo (unico elemento che si trova in natura alloo stato liquido), lo iodio e l'astato non trovano posto tra gli utilizzi comuni dell'uomo.

02. i gas nobili

Il Rettangolo Orientale

Nel lato più a Est del Regno sono presenti gas particolari che non reagiscono con altri elementi e quindi non vengono quasi mai usati dall'uomo. Il nome infatti deriva dalla proprietà di essere particolarmente stabili tanto che in passato, il loro nome era "gas restii". Tra questi da ricordare sono l'elio, usato da gas refrigerante grazie alla sua bassissima temperatura di fusione e il neon, che emette luci con il passaggio di elettroni.

02 i non metalli

Il Rettangolo occidentale

Qui si trovano alcuni degli elementi più importanti per la vita sulla Terra. Il carbonio primo tra tutti che grazie alla capacità di creare legami con molti elementi è l'elemento chiave dei composti organici. Altri due non metalli importanti sono l'ossigeno e l'azoto, gas che sono indispendabili per la respirazione e per la creazione di energiaUltimo non per importanza è il fosforo, un altro non metallo che si rivela un ottimo vettore sotto forma di ATP perfetto per scambio energetici in tutti gli esseri viventi.

+ info

02. lantanidi e attinidi

L'Isola del Sud

Quest'isola costituisce un'appendice dei metalli di transizione ma si differenzia da quest'ultimi grazie alla loro radioattività proveniente dal loro nucleo. Quindi questa parte di Regno è stata principalmente usata in campo bellico-nucleare e il Progetto Manhattan ne ha ampliato le coste. In origine infatti l'isola si fermava all'uranio, elemento numero 92 considerato per molto tempo l'elemento più pesante della tavola.Oggi la maggior parte di elementi scoperti sono molto instabili e resistono solo per millesimi di secondi, ma la ricerca non si ferma.

03. GEOGRAFIA FISICA

Per conoscere al meglio il territorio bisogna effettuare delle misurazioni che possono essere più o meno superficiali, a queste misurazioni vengono associati dei numeri che descrivono il variare di varie proprietà in base ad un cambiamento di quota.

Ognuna delle regioni di questo regno è composta da un ciottolato, questo è composto da atomi. Ad esempio, il ciottolato del Deserto Occidentale è composto da ciottoli solidi e sferici, tutti simili fra di loro. Invece, un altro esempio, sono i ciottoli che compongono il Rettangolo Orientale che hanno una struttura più aperta e reticolata.

Generale

03. PRIMA PROPRIETÀ

LA MASSA

L'Isola del Sud

Il paesaggio relativo a questa proprietà della materia sale quasi uniformemente, partendo dalla punta Nord-Occidentale, fino ad arrivare alle regioni radioattive del Sud- Est. L’Isola del Sud è in pendenza da Ovest verso Est. All’interno del Rettangolo Orientale si trova qualche piccola eccezione che comporta abbassamenti e rialzamenti del terreno in modo molto irregolare. Le quote più basse si hanno in corrispondenza del capo Nord-Est.

Generale

03. SECONDA PROPRIETÀ

IL DIAMETRO

Regressione

Se basiamo l’altezza delle montagne sul diametro degli atomi, vedremo il regno è molto più piatto e meno regolare rispetto a quello basato sulle masse atomiche. Il paesaggio sale da Nord verso Sud e scende da Ovest verso Est ma presenta molte eccezioni. Da Ovest verso Est, lungo l’Istmo, il terreno scende mentre si viaggia verso est e poi, nel Rettangolo Orientale, risale improvvisamente per poi ricominciare a scendere. Ma ci sono anche degli andamenti opposti, infatti, nell’entroterra meridionale si trova anche una regressione.

Deserto

03. TERZA PROPRIETÀ

LA DENSITÀ

L’altitudine delle montagne, in questo caso, sale da Nord-Est verso Sud-Est del Deserto. In questa proprietà la pendenza non è uniforme, infatti, si può trovare un'alta catena montuosa che svetta all’interno dell’Istmo.

Generale

03. QUARTA PROPRIETÀ

In generale si ha un aumento dell’energia di ionizzazione se si viaggia da Ovest verso Est attraverso il regno e si una una diminuzione da Nord verso Sud. Nel Rettangolo Orientale, dove l’energia di ionizzazione è troppo alta per consentire la perdita di elettroni, si hanno vette più alte rispetto al Rettangolo Occidentale. Lungo il viaggio da Ovest verso Est ci sono alcuni punti che non sono uniformi, come, ad esempio, all’interno dell’Istmo.

ENERGIA DI PRIMA IONIZZAZIONE

L’energia di prima ionizzazione è la quantità di energia necessaria per formare uno ione positivo a partire da un atomo di un elemento. Si parla di energia di prima ionizzazione poiché l’energia necessaria per strappare un secondo o un terzo elettrone è sempre maggiore rispetto a quella richiesta in precedenza.

03. quinta proprietÀ

LA AFFINITÀ ELETTRONICA

Il paesaggio dato da questa proprietà è totalmente diverso dagli altri paesaggi, infatti, dove c’è affinità elettronica negativa si troverà una voragine in terra (ad esempio vicino alla Costa Occidentale), al contrario se è positiva ci si troverà davanti a delle montagne (come a Nord-Est).

La formazione degli anioni è più complicata rispetto alla formazione dei cationi, un’utile misura della sua fattibilità è la variazione di energia che si verifica quando un elettrone si attacca ad un atomo. Questa variazione di energia si chiama affinità elettronica. Un atomo che ha affinità elettronica positiva libera energia quando acquista un elettrone, invece, se ha affinità elettronica negativa ha bisogno di energia per superare ciò che possiamo definire come una barriera che non gli permette di acquistare elettroni.

04. le scoperte

All’interno del regno alcune regioni sono state scoperte prima di altre e altre si scopriranno; alcuni di questi elementi (le regioni) sono stati scoperti per caso invece altri sono stati scoperti tramite ricerche con il fine di trovare qualcosa di ipotizzato.

04. le scoperte

Le innovazioni e la tecnologia

Le tecnologie più moderne sono state sfruttate per isolare elementi che prima era possibile incontrare sotto forma di composti. Oggi possiamo prendere un campione e atomizzarlo, pesare gli atomi, e stabilire se essi sono tutti identici per poter verificare che si tratti di un singolo elemento. Nel passato lo strumento principale era la deduzione a partire da dati qualitativi Pochi elementi sono disponibili allo stato nativo ad esempio l’idrogeno che è l’elemento più semplice allo stato nativo è quasi introvabile.

Le scoperte sono sempre andate di pari passo con la tecnologia, infatti con le innovazioni si scoprono nuovi elementi che permettono la creazione di nuove tecnologie. Ad esempio una tra le più importanti è il fuoco che ha permesso di separare composti che sembravano indivisibili.( con il fuoco diventarono disponibili grandi quantità di ferro)

04. scoperte

L'elettrolisi

All’inizio del diciannovesimo secolo venne introdotta L’ELETTROLISI ovvero la separazione della materia nei suoi componenti tramite il passaggio in essa della corrente elettrica. Tramite questa tecnologia vennero scoperti diversi elementi come il potassio, il sodio, il magnesio, il calcio, il bromo e il cloro.

04. le scoperte

Mendeleev e la sua tavola

L'azoto

La possibilità di avere una tavola con gli elementi disposti secondo le propietà ha permesso di ipotizzare al chimico russo Mendeleev alcuni elementi come l’eka-silicio , l’eka-boro e l’eka-alluminio poi rinominati rispettivamente germanio, scandio e gallio.

Nel 1894 il chimico Ramsay e il fisico Rayleigh notarono una differenza di densità tra l’azoto gassoso ottenuto dalla decomposizione e quello ricavato dall’atmosfera, dopo alcuni studia capirono che “l’azoto atmosferico” era possibile dividerlo in azoto puro e un altro gas meno reattivo: l’argon. Con la scoperta dell’ultimo furono scoperti altri gas simili all’argon come il neon, il kripton e lo xenon.

04. Le scoperte

Progetto Manhattan

Cromatografia

Durante il progetto Manhattan degli anni 1943-1945 che mirava a costruire una bomba atomica, vennero scoperti nel loro insiemi gli attinidi e si scoprì anche che dall’uranio si poteva produrre il nettunio e il plutonio.

Per separare gli attinidi, quasi identici tra loro, venne sviluppata la cromatografia che separe gli elementi in base al tempo di attraversamento di un mezzo viscoso.

04. Le scoperte

Sintesi

In anni più recenti furono scoperte tecniche di sintesi, cioè la costruzione di elementi chimici da componenti più semplici.Si scaglia un atomo contro un altro atomo e se questa collisione ha successo essi si uniscono e si forma un atomo di un nuovo elemento.

05. I NOMI DELLE REGIONI

La scelta del nome di ogni regione è stata un privilegio del suo scopritore e furono anche accettate battute spiritose legate alla nomenclatura. Come ad esempio nel caso del gallio scoperto da François Lecoq de Boisbaudran, che battezzo questo elemento in onore della Gallia, ma più propriamente in onore a se stesso. Oggi invece sono presenti dei comitati che seguono la nomenclatura dei vari elementi e pochi anni fa si è costituito uno schema apposito.

Di solito ci si basa sul nome latino del numero atomico dell’elemento in questione,come unio per il primo elemento, biio per il secondo, fino a decio per il decimo e cosi via; quei nomi sistematici servono per consentire agli esploratori di parlare anche delle regioni che oggi non hanno ancora nome. Alcuni elementi invece hanno una nomenclatura la quale origine è incerta o persa nel passato, zolfo ad esempio viene dal sanscrito sulvere, da cui il simbolo chimico S. Ferro, oro e argento hanno simboli che derivano dal latino.

Ad esempio Humphry Davy battezzò sodio e potassio pensando alle fonti da cui li aveva ricavati ovvero la soda e la potassa. Nei metalli invece ad esempio il calcio si trova nella calce e il magnesio si estrae da una terra bianca detta magneus carneus. L’azoto con il simbolo N proviene dai nitrati e l ossigeno possiamo dire essere frutto di un errore perché inizialmente si pensava che fosse un costituente degli acidi.

Alcuni elementi invece devono il loro nome ai loro colori , come il cloro, un gas giallo-verde e lo iodio, un solido violetto. Ci sono anche casi in cui i nomi compaiono in altri nomi, come ad esempio il rubidio, ha come colore un grigio metallico, perché i suoi composti quando bruciano su una fiamma, producono un’incandescenza rossastra. Le radici dei nomi di alcune regioni affondano nelle loro caratteristiche, ad esempio il vanadio forma una serie di composti che spaziano su un arcobaleno di colori e prende il nome dalla dea scandinava della bellezza.

Altri nomi hanno origine dall’olfatto, per esempio il bromo prende il nome dalla parola greca che significa “tanfo”. Molte regioni prendono il nome da luoghi legati alla loro scoperta, ad esempio lo stronzio della località di strontian in scozia. Si riconoscono inoltre anche stati come il californio e il berkelio, dalla California e da Berkeley. Altri nomi invece indicano nel loro profondo e nascosto significato delle città. Pero sono i comitati in questo caso a scegliere i personaggi da onorare, come Einstein nel einsteinio, Fermi nel fermio, Mendeleev nel mendelevio ecc.. . ci sono anche le donne come il curio in onore a Marie Curie, il meitnerio in onore a Lise Meitner ecc.. . Anche gli dei e spiriti del male hanno dato il loro contributo come il titanio, mercurio, proemio ecc.. . poi ad esempio il selenio deve il nome alla Luna per il suo aspetto argenteo.

06. L'ORIGINE DEL TERRITORIO

• Tuttavia queste due nubi di elementi non erano uniformi, ed erano attratte l’un l’altra da una debole forza gravitazionale.
• Ciò creò una differenza di densità, alcune zone più dense di altre che talvolta si svuotavano. All’interno di queste zone più o meno addensate vi era l’impasto primordiale per la formazione di stelle e galassie.

Le prime due isole del territorio a formarsi dopo il Big Bang sono state l’idrogeno e l’elio, a soli pochi minuti dopo l’esplosione. Se si rappresentasse in rilievo l’abbondanza cosmica degli elementi, l’idrogeno sarebbe una colonna imponente, e l’elio ne ergerebbe una alta un quarto quella dell’idrogeno.

come si e' formata la materia?

E’ inoltre solo grazie all’erosione dell’idrogeno e l’innalzamento dell’elio che le stelle come il nostro Sole restano accese: l’energia rilasciata durante questi processi di fusione nucleare funge infatti da combustibile. La fusione nucleare all’interno delle stelle permise anche la nascita di nuovi elementi come il Litio e il Berillio. Dato che gli elementi sono nati da un processo di Fusione nucleare dato dalla collisione di nuclei di H e He, la formazione del regno è chiamata nucleosintesi.

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• Un nucleo può resistere nel tumulto stellare soltanto se ha abbastanza protoni e neutroni legati da una forza forte.

L’ONDULAZIONE DEL REGNO

L’ondulazione del regno (l’alternarsi di elementi più abbondanti con elementi meno abbondanti) si spiega con la struttura dei nuclei atomici: se protoni e neutroni sono presenti in numero pari, il nucleo sarà più stabile: questo spiega l’alternanza.

il carbonio

Nato a partire dall’interazione tra berillio e boro, il carbonio gode di una proprietà chiamata risonanza (accoppiamento di un nucleo con un protone di energia simile), senza la quale non vi sarebbe vita. La nucleosintesi del carbonio apre poi la strada alla formazione di altri elementi.

Specific

il ciclo vitale delle stelle

• 1. La stella brucia idrogeno e produce elio, inizia a formarsi una gigante rossa
• 2. L’elio inizia a bruciare, si formano berillio, carbonio e ossigeno.
• 3. Iniziano a bruciare C e O, si formano elementi pesanti
• 4. Brucia il Si, diventa S, Ar, e altri elementi pesanti: ha inizio la fase di equilibrio.
• 5. Da qui si formano gli elementi più vicini al Fe. (elemento più stabile di tutti).

COME SI FORMANO GLI ELEMENTI RADIOATTIVI?

I neutroni generati dai processi nucleari si spingono verso le zone esterne della stella, e vengono catturati dai nuclei diventando in eccesso. Diventando instabile, il suddetto nucleo trasforma un neutrone in un protone, liberando un elettrone. E’ così che si formano gli elementi che si estendono oltre al ferro, fino all’Uranio e oltre.

SIAMO POLVERE DI STELLE

• Il Regno periodico si è formato dentro e tra le stelle, stelle lontane ed estinte da molto tempo, per poi essere disperso dai flussi cosmici. Come è successo? Se il nucleo di una stella diventa eccessivamente consunto, le regioni esterne collasseranno su di esso, rimbalzando conseguentemente all’indietro, verso l’esterno.

Queste “ceneri” disseminate nello spazio, ovvero elementi preziosi che talvolta nel loro viaggio incontrano anche raggi cosmici, sono arrivate fino a noi. Questa contaminazione ha permesso la nascita della vita sulla Terra.

IL PAESAGGIO TERRESTRE

La formazione Terrestre fu sicuramente un evento più tranquillo della formazione degli elementi nelle stelle, ma anch’essa risultò piuttosto violenta.

• Ovviamente la composizione degli elementi terrestri differisce notevolmente da quella cosmica: dato che in principio il nostro pianeta era fuso i composti più volatili come l’elio e l’idrogeno elementare che ha formato composti non volatili (l’elio che oggi è presente sulla Terra è frutto infatti di decadimenti radioattivi) si allontanarono, e rimasero invece gli elementi più pesanti.