Reazioni chimiche e tavola periodica

Reazioni chimiche e tavola periodica

1 Nelle reazioni chimiche si formano nuove sostanze

Si conoscono tipi molto differenti di reazioni chimiche. Alcune delle più comuni sono tra un metallo e un non-metallo che reagiscono direttamente l'uno con l'altro. Un esempio è il sodio, un metallo molto reattivo e il cloro, un non-metallo molto reattivo che insieme invece formano il comune sale da cucina (NaCl); oppure l'idrogeno e l'ossigeno, gas incolori, inodori ed infiammabili che formano l'acqua (H₂O). Da ciò si può dedurre che Nelle reazioni chimiche si formano sostanze interamente nuove. Una reazione chimica viene espressa in termini di formule chimiche dei reagenti e dei prodotti. I reagenti sono le sostanze che reagiscono tra loro, mentre i prodotti sono le sostanze che si formano nella reazione. La rappresentazione di una reazione chimica mediante le formule chimiche dei reagenti e dei prodotti, separati da una freccia è chiamata equazione chimica.

equazione chimica bilanciata Na (s) + Cl2 (g) ® 2 NaCl (s)

2 Una equazione chimica deve essere bilanciata

La caratteristica delle reazioni chimiche è la conservazione di ogni tipo di atomo. Sebbene si formino nuove sostanze i singoli atomi non vengono né creati né distrutti. Una reazione chimica perciò deve essere bilanciata, vale a dire essa deve avere lo stesso numero di ogni tipo di atomo, da entrambe le parti; la legge di conservazione della materia richiede che tutti gli atomi che entrano in una reazione chimica appaiano nei prodotti. Le equazioni chimiche si bilanciano mettendo i numeri corretti, detti coefficienti di bilanciamento, davanti alle formule chimiche procedendo con il cosiddetto metodo di bilanciamento per tentativi.

3 Gli elementi possono essere raggruppati in accordo alle loro proprietà chimiche

Intorno al 1860 erano stati scoperti più di 60 elementi e molti chimici avevano iniziato a notare alcune ripetizione delle proprietà di certi elementi. Si prenda ad esempio i tre metalli litio (Li), sodio (Na) e potassio (K), sono meno densi dell'acqua, abbastanza teneri da poter essere tagliati con un coltello, hanno punto di fusione abbastanza basso e sono molto reattivi. Dal momento che gli idrossidi di questi metalli sono alcalini questi metalli sono detti metalli alcalini. Ci sono altri gruppi di elementi che presentano caratteristiche comuni, per esempio magnesio (Mg), calcio (Ca), stronzio (Sr) e bario (Ba) hanno molte proprietà in comune e sono chiamati metalli alcalino terrosi. Un altro gruppo di elementi che hanno proprietà chimiche simili è formato dai non-metalli fluoro (F₂), cloro (Cl₂), bromo (Br₂) e iodio (I₂), che prendono il nome di alogeni (ovvero "che formano sali) e formano gli alogenuri (desinenza -uro).

4 Gli elementi, quando sono elencati in ordine di numero atomico crescente, mostrano un periodicità delle proprietà

Dopo gli studi di Dalton il concetto di peso atomico diventò familiare, e nel 1869 il chimico russo Dmitri Mendeleev sistemò gli elementi in ordine di  peso atomico crescente, riuscendo a dimostrare che le proprietà chimiche avevano un andamento periodico. Con la disposizione periodica degli elementi siamo arrivati ad una versione moderna della Tavola Periodica degli Elementi, che rispetto a quella di Mendeleev è più completa e più dettagliata, ed inoltre gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico, concetto formulato nei primi anni del '900.

5 Gli elementi nella stessa colonna della tavola periodica hanno proprietà chimiche simili

Gli elementi della prima colonna (Litio, Sodio, Potassio, Rubidio, Cesio, Francio) hanno tutti caratteristiche chimiche e fisiche simili. Quindi la colonna all'estrema sinistra indica i Metalli del 1° Gruppo (detti metalli alcalini) poi ci sono i Metalli del 2° Gruppo, o metalli alcalino terrosi. Gli elementi di una stessa colonna hanno in comune proprietà chimiche simili. Gli alogeni nel 7° gruppo e i Gas Nobili (fino al 1962 gas inerti) nell'ottavo gruppo. Un certo numero di elementi non era ancora stato scoperto nel 1869, e Mendeleev ebbe la geniale intuizione di lasciare dei vuoti, come ad esempio tra zinco ed arsenico, e di fare delle previsioni sugli elementi mancanti, come ad esempio per il gallio. Esistono molte versioni della tavola periodica, la più comune è quella che ritaglia e sposta gli elementi centrali in basso, arrivando così a chiamare gli elementi dal 57 al 70 serie dei lantanidi, e gli elementi da 89 a 102, serie degli attinidi, ma in commercio ne esistono altre che hanno disposizioni leggermente diverse o che presentano nomi diversi per alcuni elementi. La tavola periodica contiene tutti gli elementi chimici e mostra le correlazioni periodiche esistenti tra loro. Gli elementi nella stessa colonna appartengono allo stesso gruppo o famiglia. Le file orizzontali della tavola periodica sono chiamate periodi.

6 Gli elementi sono classificati in elementi dei gruppi principali, metalli di transizione e metalli di transizione interna (LEGGERE)

I metalli ed i non-metalli si trovano in zone diverse della tavola periodica. I non-metalli sono sul lato destro e i metalli sul lato sinistro e sono separati tra loro da una linea a zig-zag che contraddistingue i semimetalli, elementi solidi fragili e opachi che hanno caratteristiche intermedie tra metalli e non-metalli e quindi impiegati per la costruzione di semiconduttori (silicio e germanio). I metalli più reattivi sono quelli del 1° gruppo mentre i non-metalli più reattivi sono gli alogeni (7° gruppo). I gas nobili sono estremamente inerti. Gli elementi contraddistinti da un numero (dall'uno all'otto) sono detti elementi dei gruppi principali; gli elementi tra il 2° e il 3° gruppo sono detti metalli di transizione, e sono caratterizzati da alta densità, punto di fusione elevato e i loro composti sono colorati; la serie dei lantanidi e degli attinidi sono detti metalli di transizione interna (lantanidi detti anche terre rare).

7 La tavola periodica contiene alcune irregolarità (LEGGERE)

Anche se la tavola periodica costituisce la principale guida chimica non può materialmente riassumere tutte le caratteristiche e proprietà dei 108 elementi presenti al suo interno. Tanto per cominciare l'idrogeno è atipico perché ha le stesse caratteristiche di elementi del 1° e 7° gruppo, ma nella tavola periodica è posto nel 1° gruppo pur non essendo un metallo. Inoltre i primi elementi di ogni gruppo sono leggermente atipici, questo può essere dovuto ai loro piccoli raggi atomici.

8 Molti atomi formano ioni che hanno la configurazione elettronica di un gas nobile

Nel 1869 quando Mendeleev formulò la sua versione della tavola periodica, alcuni scienziati descrivevano gli atomi come sfere solide; con le scoperte di Thomson nel 1897 e Rutherford nel 1911 si incominciarono a studiare le proprietà elettroniche degli atomi. Assumendo che la configurazione elettronica dei gas nobili sia quella più stabile, allora si possono spiegare molte delle caratteristiche periodiche degli elementi. Guardando ad esempio un atomo di sodio o un atomo di fluoro si può notare che entrambi tentano di acquistare la configurazione elettronica del Neon, il sodio perdendo un elettrone (Na⁺) e il fluoro acquistandolo (F^-).

9 Per scrivere le formule chimiche si possono usare le cariche ioniche

Come si è visto gli atomi dei metalli perdono elettroni per diventare cationi e gli atomi dei non-metalli acquistano elettroni per diventare anioni. Ciò spiega le formule chimiche di molti dei composti binari che seguono una regola semplicissima. Dato un metallo (M) con una determinata carica ionica e un non-metallo con la propria carica ionica, possiamo calcolare il numero di atomi presenti nella nostra formula:

risulta che ax = -by

Per esempio dato Ca²⁺ e Cl^- la formula del composto ionico risulta essere CaCl₂ (+2 · 1 = --1 · 2). Notare che la unità formula, , non ha carica netta. Per convenzione la formula del cloruro di calcio è CaCl₂ . Quindi assegnando un numero positivo o negativo, detto carica ionica, ad ogni elemento possiamo scrivere la formula in modo tale che le cariche positive e negative scambiate dai due elementi siano uguali. L'uso di cariche ioniche è uno strumento limitato, ma è molto utile per scrivere i composti binari. Per i metalli di transizione che hanno più di una possibile carica si usava una vecchia nomenclatura con delle desinenze (-ico, -oso) ma oggi si mette tra parentesi accanto al nome la valenza scritta in numeri romani.

Quando un composto ionico si scioglie in acqua, le specie in soluzione sono i singoli ioni che si trovano così in soluzione acquosa.

10 Una reazione di combinazione è la reazione di due sostanze per formare un unico prodotto

Possiamo classificare le reazioni chimiche in quattro categorie: (1) reazioni di combinazione, (2) reazioni di decomposizione, (3) reazioni di sostituzione, (4) reazioni di doppio scambio (metatesi). Anche se non tutte, molte reazioni rientrano in queste categorie.La reazione di combinazione più semplice è quella tra unj metallo e un non-metallo per formare un sale. Ad esempio:

2 Na_(s) + Cl_{2 (s)} 2 NaCl _(s)

In questa reazione c'è uno scambio di elettroni e il sodio passa da 0 a +1, mentre il colro da 0 a -1. Quando la carica di uno ione aumenta, si dice che l'atomo si ossida (perdita di elettroni), mentre quando la carica di un atomo diminuisce, si dice che l'atomo si riduce (acquisto di elettroni). Queste reazioni sono dette reazioni di ossido-riduzione che possono diventare anche molto complesse e richiedono un metodo di risoluzione più adeguato. E' da notare il principio di conservazione degli elettroni il quale dice che il numero totale di elettroni ceduti dall'elemento che si ossida deve essere uguale al numero di elettroni acquistati dall'elemento che si riduce.

Molte rezioni di combinazione  hanno luogo tra non metalli come:

C _(s) + O_{2 (g)} CO_{2 (g)}

Una reazione in cui una sostanza viene bruciata in ossigeno è detta reazione di combustione, e di solito (come nella reazione soprastante) i biossidi (in questo caso il biossido di carbonio) sono composti molecolari e non composti ionici; la differenza sta nel fatto che i composti molecolari sono formati da molecole neutre e di soliti sono molto più volatili ma sono comunque reazioni redox. Le reazioni di combinazione possono coinvolgere anche due composti come la reazione seguente:

Na₂O _(s) + CO_{2 (g)} Na₂CO_{3 (s)}          - carbonato di sodio

Vi possono essere reazioni anche tra ioni poliatomici come la reazione inversa seguente:

MgSO_{4 (s)} Mg ²⁺ _(aq) + SO₄^2- _(aq) - solfato di magnesio

Quindi vengono assegnati nomi sintetice agli ioni poliatomici in modo da trattarli come ioni monoatomici.

11 Quando vengono sciolti in acqua, gli ossidi solubili dei metalli formano basi e gli ossidi solubili dei non metalli formano acidi

A causa del ruolo fondamentale ricoperto dall'acqua nella chimica, le reazioni di ossidi di metalli e non-metalli in acqua è molto importante. Se si scioglie in acqua un ossido di un metallo si forma un idrossido che proprio perchè in acqua si scompone nello ione metallico e nello ione idrossido. Composti che danno ioni idrossido si dicono basi e ossidi che danno basi sono detti ossidi basici. I soli ossidi metallici solubili in acqua sono i metalli del 1° e del 2° gruppo. Molti ossidi non-metallici formano acidi quando vengono disciolti in acqua, ovvero composti che formano ioni idrogeno (H⁺), o meglio ioni idronio (H₃O⁺). Gli ossidi che sciolti in acqua danno acidi sono detti ossidi acidi o anidridi. Gli atomi di idrogeno o gli stessi protoni che originano gli ioni H⁺ sono detti atomi di idrogeno acidi o protoni acidi. Gli elementi elencati nella seguente tabella sono chiamati ossiacidi perchè contengono atomi di ossigeno. C'è un altro gruppo di acidi detti acidi binari o idracidi che sono costituiti solo da un elemento e H⁺.

12 In una reazione di decomposizione, una sostanza si scompone in due o più sostanze più semplici

Le reazioni di decomposizione sono l'opposto delle reazioni di combinazione, perchè comportano la scomposizione di una sostanza in due più semplici. Esse sono facili da riconoscere perchè, di solito, vi è un solo reagente e più di un prodotto. Ad esempio se riscaldati, molti ossidi metallici si decompongono perdendo ossigeno gassoso:

2 HgO _(s) -alta T 2 Hg _(l) + O_{2 (g)}

Questa reazione fu usata da Joseph Priestley nel 1774 per ottenere ossigeno.