Comprendere la tavola periodica attraverso la lente dei metalli volatili del Gruppo I

Professore Emerito di Chimica e Biologia Chimica, IUPUI

Erwin Boschmann non lavora, non fa consulenza, non possiede azioni o riceve finanziamenti da alcuna società o organizzazione che trarrebbe beneficio da questo articolo e non ha rivelato alcuna affiliazione rilevante al di là della propria nomina accademica.

L'Università dell'Indiana fornisce finanziamenti come membro di The Conversation US.

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Si sparse la notizia che un vagone ferroviario, carico di sodio puro, era appena deragliato e stava rovesciando il suo contenuto. Un giornalista televisivo mi chiamò per spiegarmi perché ai vigili del fuoco non era permesso usare l'acqua sulle fiamme che uscivano dall'auto devastata. Mentre ero in onda ho aggiunto un po' di sodio ad un po' d'acqua in una capsula di Petri e abbiamo osservato la reazione violenta. Per un ulteriore effetto drammatico, ho anche messo del potassio nell'acqua e ho stupito tutti con le esplosive fiamme bluastre.

Poiché i metalli del gruppo I, detti anche metalli alcalini, sono molto reattivi, come il sodio dei vagoni ferroviari o il potassio, non si trovano in natura in forma pura ma solo come sali. Non solo sono molto reattivi, sono morbidi e lucenti, possono essere tagliati facilmente anche con un coltello smussato e sono il più metallico di tutti gli elementi conosciuti.

Sono un chimico che ha trascorso la sua carriera costruendo nuove molecole, talvolta utilizzando elementi del Gruppo I. Studiando il comportamento e l'andamento degli elementi del Gruppo I possiamo avere un'idea di come è organizzata la tavola periodica e di come interpretarla.

La disposizione della tavola periodica e le proprietà di ciascun elemento in essa contenuti si basano sul numero atomico e sulla disposizione degli elettroni che orbitano attorno al nucleo. Il numero atomico descrive il numero di protoni nel nucleo dell'elemento. Il numero atomico dell'idrogeno è 1, quello dell'elio è 2, quello del litio è 3 e così via.

Ognuna delle 18 colonne della tabella è chiamata gruppo o famiglia. Gli elementi dello stesso gruppo condividono proprietà simili. E le proprietà possono essere assunte in base alla posizione all'interno del gruppo. Andando dalla parte superiore del Gruppo I verso il basso, ad esempio, i raggi atomici – la distanza dal nucleo agli elettroni esterni – aumentano. Ma la quantità di energia necessaria per strappare un elettrone esterno diminuisce andando dall'alto verso il basso perché gli elettroni sono più lontani dal nucleo e non sono trattenuti così strettamente.

Questo è importante perché il modo in cui gli elementi interagiscono e reagiscono tra loro dipende dalla loro capacità di perdere e acquisire elettroni per creare nuovi composti.

Le righe orizzontali della tabella sono chiamate periodi. Passando dal lato sinistro del periodo a quello destro, il raggio atomico diventa più piccolo perché ogni elemento ha un protone e un elettrone in più. Più protoni significano che gli elettroni vengono attirati più strettamente verso il nucleo. Per lo stesso motivo l’elettronegatività – il grado con cui un elemento tende ad acquisire elettroni – aumenta da sinistra a destra.

Anche la forza necessaria per rimuovere l'elettrone più esterno, nota come potenziale di ionizzazione, aumenta dal lato sinistro della tabella, che contiene elementi con carattere metallico, al lato destro, che sono non metalli.

L'elettronegatività diminuisce dalla parte superiore della colonna verso il basso. Anche il punto di fusione degli elementi all'interno di un gruppo diminuisce dall'alto verso il basso di un gruppo.

Come suggerisce il nome, gli elementi del Gruppo I occupano la prima colonna della tavola periodica. Ogni elemento inizia un nuovo periodo. Il litio è in cima al gruppo ed è seguito dal sodio, Na; potassio, K; rubidio, Rb; cesio, Cs e termina con il francio radioattivo, p. Poiché è altamente radioattivo, praticamente non viene eseguita alcuna chimica con questo elemento.

Poiché ogni elemento di questa colonna ha un singolo elettrone esterno in un nuovo livello, i volumi di questi elementi sono grandi e aumentano notevolmente quando si spostano dall'alto verso il basso del gruppo.

Di tutti gli elementi del Gruppo I, il cesio ha i volumi maggiori perché il singolo elettrone più esterno è trattenuto in modo lasco.