Tavola periodica degli elementi

Tavola periodica degli elementi o Sistema periodico Schema che comprende tutti gli elementi chimici, disposti in ordine di numero atomico crescente e in modo da rispettare la periodicità delle loro caratteristiche. Gli elementi sono suddivisi in sette righe orizzontali, chiamate periodi, e in diciotto colonne verticali, dette gruppi. Il primo periodo, che contiene solo due elementi, idrogeno ed elio, e i due periodi successivi, che contengono ciascuno otto elementi, sono definiti periodi corti. Gli altri, chiamati periodi lunghi, possono contenere da 18 (come i periodi 4 e 5) a 32 elementi (come il 6). Il periodo 7 comprende la serie degli attinidi, ottenuta sintetizzando artificialmente nuclei radioattivi di numero atomico superiore a 92 (che corrisponde all'uranio).

Le colonne verticali, o gruppi, sono numerate da sinistra a destra utilizzando numeri romani seguiti dalle lettere A e B, dove B si riferisce agli elementi di transizione. Viceversa, secondo il metodo introdotto dall'Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC), che si sta ampiamente diffondendo, i gruppi si numerano semplicemente dall'uno al diciotto, procedendo da sinistra a destra.

Tutti gli elementi che appartengono a un determinato gruppo hanno proprietà chimiche molto simili e, al contempo, molto differenti da quelle degli elementi di altri gruppi. Ad esempio, gli elementi del gruppo 1 (o IA) sono metalli, con l'eccezione dell'idrogeno, e hanno valenza +1; invece, quelli del gruppo 17 (o VIIA), con l'eccezione dell'astato, sono non metalli, che generalmente formano composti in cui hanno valenza (o grado di ossidazione) -1.

Al crescere del numero atomico Z, molte delle proprietà chimico-fisiche degli elementi variano in modo periodico. Il raggio è una di queste: ha un andamento crescente all'interno di ogni gruppo, e decrescente all'interno di ogni periodo. La prima proprietà si spiega pensando che mentre i primi elementi di ogni gruppo hanno soltanto un guscio intorno al nucleo, gli ultimi ne hanno ben sette; il raggio del guscio più esterno, quindi, è via via più grande. La seconda proprietà si spiega considerando che, all'interno di un periodo, il guscio più esterno è sempre lo stesso; cresce il numero di elettroni al suo interno, ma senza produrre sensibili variazioni del raggio; contemporaneamente, però, aumenta il numero di protoni nel nucleo che, attirando a sé la nube elettronica con più forza, ne produce una contrazione sempre più importante all'aumentare di Z.

Nella classificazione periodica, i gas nobili (gruppo VIIIA), totalmente non reattivi (stato di ossidazione pari a 0), occupano posizioni comprese tra quelle dei metalli altamente reattivi di stato di ossidazione +1 e quelle dei non metalli altamente reattivi aventi stato di ossidazione -1. L'osservazione di questa situazione ha portato alla formulazione della teoria secondo la quale la periodicità delle proprietà atomiche è dovuta alla disposizione degli elettroni in gusci (livelli) collocati intorno al nucleo. Secondo tale teoria, i gas nobili sono di norma inerti perché i loro gusci elettronici esterni sono completamente occupati; gli altri elementi, invece, hanno i livelli esterni solo parzialmente pieni, e questa incompletezza dà ragione della loro reattività. Tutti gli elementi che appartengono al gruppo che precede i gas nobili nella tavola periodica mancano di un elettrone per completare il guscio esterno. Nella maggior parte dei casi mostrano stato di ossidazione pari a -1, e durante una reazione tendono ad acquistare un elettrone per completare il livello. Al contrario, gli elementi che si collocano dopo i gas nobili (gruppo IA) hanno un elettrone in eccesso (stato di ossidazione +1), che cedono facilmente nel corso di una reazione chimica.

Analizzando la tavola periodica alla luce di questa teoria, si deduce che il primo guscio può contenere fino a un massimo di due elettroni, il secondo otto, il terzo diciotto e così via. Il numero totale di elementi nel periodo corrisponde al numero totale di elettroni necessari per ottenere una configurazione stabile, ovvero un livello elettronico completamente occupato. I gruppi A e i gruppi B, pur avendo lo stesso numero di elettroni nel livello più esterno, differiscono nella struttura dei gusci più interni. Questo modello fornisce una buona spiegazione della formazione dei legami chimici.

In seguito allo sviluppo della teoria dei quanti, introdotta da Max Planck e applicata alla struttura atomica dal fisico danese Niels Bohr, è stato possibile trovare una precisa giustificazione per molti dei dettagli strutturali che emergono dalla tavola periodica degli elementi. Secondo la teoria quantistica, ogni elettrone è caratterizzato da quattro numeri quantici, relativi alle grandezze fisiche che descrivono il suo moto orbitale intorno al nucleo. In base alle leggi di selezione che definiscono i numeri quantici e al principio di esclusione di Wolfgang Pauli (secondo il quale due elettroni non possono condividere il medesimo insieme di numeri quantici) si può determinare teoricamente il numero massimo di particelle che possono occupare un livello elettronico. Questi calcoli hanno confermato le conclusioni già dedotte dalla semplice osservazione della disposizione degli elementi nella tavola periodica.

Ulteriori sviluppi della teoria quantistica hanno giustificato anche il fatto che alcuni elementi siano incompleti solo nel loro livello più esterno (quello di valenza), mentre altri posseggono anche alcuni gusci più interni incompleti. In quest'ultima categoria si ritrova il gruppo degli elementi appartenenti alla serie dei lantanidi, caratterizzati da proprietà chimiche molto simili: sono comunemente noti con il nome di terre rare, a causa della scarsa presenza dei loro minerali in natura.

L'applicazione della teoria quantistica della struttura atomica alla legge della periodicità ha portato a ridisegnare la tavola periodica nella cosiddetta forma dei 'lunghi periodi', che mette in evidenza appunto l'interpretazione elettronica sopra descritta. In questa nuova forma, ciascun periodo corrisponde al riempimento di un guscio elettronico: dunque gli elementi che occupano la stessa colonna della tavola periodica hanno strutture elettroniche simili, e mostrano simili proprietà fisiche e chimiche. All'inizio e alla fine di un lungo periodo si verifica l'aggiunta di elettroni nel guscio di valenza, mentre nella zona centrale di un lungo periodo varia il numero di elettroni dei gusci più interni.