Network Bar

martedì 21 giugno 2011

Il regno periodico

More about Il regno periodicoArticolo riscritto e ripubblicato dopo la prima versione a causa di alcuni problemi con feedburner. Mi scuso per le evidenti differenze tra questa e la versione precedente.

Su anobii questo bell'articolo di sostanza di Paolo è paragonato con Il regno periodico di Peter Atkins, e in effetti la chiarezza espositiva è comune con il libro di Atkins. Mentre l'articolo si occupa della sostanza, il libro di Atkins si occupa invece della tavola periodica, uno degli strumenti scientifici più potenti e importanti sviluppati nell'ultimo secolo e mezzo.
Il primo ad occuparsi di una sistemazione possibilmente coerente degli elementi e delle sostanza che man mano la chimica andava scoprendo fu Lavoisier nel 1789, mentre a lato vedete una rappresentazione e classificazione degli elementi realizzata da Dalton per A New System of Chemical Philosophy del 1808. La tavola periodica che invece utilizziamo oggi è una evoluzione di quella sviluppata da Mendeelev, chimico russo, e, indipendentemente, da Mayer, chimico tedesco: siamo nel 1869 e il parametro d'ordine per la tavola è il peso atomico.
In effetti si possono utilizzare anche altre proprietà per classificare e ordinare gli atomi, come ad esempio la densità, o il diametro dell'atomo, o anche l'elettronegatività (la capacità di catturare un elettrone). Il peso atomico, però, è oggi il parametro, la proprietà che meglio rappresenta gli atomi, i quali possono essere ulteriormente distinti per gruppi (colonne) e periodi (righe): entrambi questi raggruppamenti sono dovuti alla struttura elettronica esterna di ciascun atomo. Per spiegare questa classificazione bisogna però introdurre alcuni concetti di meccanica quantistica. E' qui, dunque, che si osserva la grande potenza della tavola periodica, la sua capacità di sintesi scientifica, di trovare cioè un ponte tra la chimica e la fisica, in particolare la meccanica quantistica.
Andiamo, però, con ordine.

Tutto inizia con l'equazione di Schrodinger, che riesce a migliorare il modello dell'atomo di Bohr, il primo a introdurre il concetto di quantizzazione per spiegare le osservazioni sperimentali (osservazioni che poi il modello non spiegò completamente). L'atomo, dunque, è quantizzato e gli elettroni possono trovarsi, con date probabilità finite, in alcuni determinati orbitali, ognuno dei quali distinto dall'altro per energia e simmetria. Alcuni orbitali, poi, sono detti degeneri, perché si trovano sostanzialmente alla stessa energia. Le differenze tra gli orbitali di queste particolari famiglie sono però osservabili sotto opportune condizioni (ad esempio applicando alcuni campi magnetici). Questa situazione in un certo senso ovvia al principio di esclusione di Pauli, secondo il quale due fermioni che hanno gli stessi numeri quantici non possono occupare la stessa posizione nello spazio. Questo vuol dire che un orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni con tutti i numeri quantici identici a parte lo spin, che sarà uno l'opposto dell'altro. In particolare lo spin è il numero quantico associato con la rotazione o, per meglio dire, con la simmetria di rotazione (o sferica) dell'elettrone.
Quindi abbiamo gli elettroni che, intorno al nucleo, vanno a sistemarsi sugli orbitali, andandoli a riempire secondo le energie a disposizione, e ogni orbitale ha un nome e delle proprietà di simmetria più o meno differenti.
Date queste definizioni (nelle quali spero non vi siate eccessivamente persi), possiamo comprendere le differenze tra la classificazione per gruppi e per periodi. Per i gruppi iniziamo dall'ultimo, il 18.mo. Questo è costituito dai così detti gas nobili, ovvero quegli atomi i cui orbitali esterni sono completi, sono pieni fino all'orlo, se mi passate l'immagine molto figurativa. Questo vuol dire che gli atomi appartenenti a ciascun gruppo hanno in comune la configurazione elettronica esterna identica, ovvero gli atomi di ciascun gruppo avranno all'esterno lo spesso numero di elettroni che occupano il medesimo orbitale. Non solo: possiamo identificare ciascun gruppo anche in base alla distanza dalla configurazione elettronica del gas nobile e quindi intuire se gli atomi di quel gruppo sono potenzialmente dei ricevitori di elettroni (quelli cui mancano elettroni per arrivare al gas nobile più vicino) o dei donatori (quelli che hanno elettroni in più rispetto alla configurazione ideale). In questo senso ricopre un ruolo speciale lo occupa il Carbonio che, nella configurazione elettronica, si trova giusto a metà strada tra ricevitori e donatori: questo lo rende perfetto per la così detta chimica della vita. E' anche questo il motivo per cui si ritiene che eventuali vite aliene non basate sul carbonio possano invece essere basate sul silicio, che è l'elemento giusto al di sotto del carbonio.
La classificazione in periodi, invece, è legata al tipo di orbitale esterno che viene riempito, ovvero se l'orbitale è di tipo s, p, d, f, ...
Il libro di Atkins, però, non spiega solo questo, ma arriva addirittura nelle stelle, le grandi fornaci all'interno delle quali gli atomi della tavola, o del Regno per usare la metafora dello scrittore, vengono prodotti. E' anche una lettura interessante perché aiuta a comprendere che, a livello microscopico, non c'è alcuna differenza tra ciò che consideriamo naturale e ciò che consideriamo artificiale o chimico. Al massimo, aggiungo io, si può distinguere tra atomi prodotti spontaneamente e altri che hanno invece necessità di essere prodotti con tecniche particolari che non sono presenti in natura, o che si trovano con bassissime probabilità. Generalmente questi ultimi sono gli atomi che continuano, ancora oggi, a riempire le caselle della tavola, molte delle quali sono state addirittura previste e hanno i nomi già prenotati in previsione della futura scoperta! Gli ultimi arrivati sono il 114.mo, l'ununquadio, e il 116.mo, l'ununhexio, che in un certo senso confermano come ormai la scoperta di nuovi atomi sia diventato un territorio più per i fisici che per i chimici, visto che le reazioni in gioco sono tipicamente nucleari.
Questa constatazione, però, nulla toglie alla bellezza e alla completezza della tavola periodica e della disciplina che essa rappresenta: la chimica!

2 commenti:

  1. Ho l'impressione che l'articolo, chiaro e efficace, soffra un po' di quell'ORBITALITE che, se è una malattia diffusa in tutti i paesi, nella scuola italiana è particolarmente contagiosa e perniciosa. Usando tra l'altro una certa confusione tra l'orbitale (qualunque cosa sia, se esiste) ed il suo livello energetico. Per carità, lo stesso Atkins di quella malattia ne soffre cronicamente!

    Con l'equazione di Schroedinger non "inizia" proprio niente... semmai, da quando esiste, aiuta a comprendere qualitativamente ipotizzare le motivazioni per comprendere quello che da Mendeleev e Mayer in poi (ed in parte in prima) i chimici avevano già capito per via chimica, e che sarebbe stato chiaro un decennio dopo i primi lavori di Schroedinger con la scoperta del neutone e la spiegazione del problema degli isotopi.
    Mi sembra di ricordare, fra l'altro, che tutte le equazioni che descrivano la dinamica di un sistema di più corpi, anche quella di Schroedinger in tutte le sue modifiche, così come quelle newtoniane basate sul concetto di traiettoria, non ammettano soluzione esatta se il numero di corpi supera il 2... già per l'elio, il più semplice gas nobile, non è risolvibile.

    Personalmente nella didattica di base preferisco ragionare sul modello a gusci senza introdurre ulteriori approssimazioni e suddivisioni, almeno fino a quando mi verrà spiegato con rigore quantomeccaniche uno dei soliti postulati dei libri di testo, diciamo "l'orbitale 4s ha energia superiore al 3d ma viene riempito prima...".

    Quanto poi a parlarne nella scuola, capita molto spesso che gli studenti dicano che "il metano è tetraedrico perchè il carbonio è ibridato sp³", quando al limite il nesso di causa e conseguenza dovrebbe essere esattamente l'opposto. Sono dell'idea, fortunatamente non così rara, che "gli orbitali debbano essere vietati ai minori", e non sparati all'inizio del primo anno come fanno quasi tutti i libri di testo.

    Cordialmente

    Sergio Palazzi

    RispondiElimina
  2. Un paio di cose.
    The Periodic Kingdom è uscito nel 1997 (era però già uscito nel 1995). La traduzione italiana è del 2007.
    Domanda: Perchè non recensiamo libri nuovi?
    (mi sa che conosco già una possibile risposta: perchè ci piace farlo).

    Un'altra cosa. Noi abbiamo difficoltà ad insegnare il significato degli orbitali (i cosiddetti hydrogen-like orbitals) agli studenti del I° anno di università. Perchè dovrebbe essere facile farlo al I° anno della scuola superiore (ammesso che sia necessario)? Sono d'accordo con il fatto che si può vivere bene senza orbitali (almeno fino alla maggiore età).

    Ultima. Cosa vuol dire "sostanzialmente alla stessa energia"? Va bene la divulgazione ai non addetti, ma non esageriamo.

    RispondiElimina