Blocchi della tavola periodica
I blocchi s, p, d e f rappresentano quale tipo di sottolivello atomico si sta riempiendo lungo la tavola periodica. Le loro ampiezze e posizioni non sono decorative: derivano dalla capacità degli orbitali e dall’ordine con cui le energie dei sottolivelli diventano accessibili.
Definizione dei blocchi e capacità dei sottolivelli
Il blocco s corrisponde principalmente al riempimento degli orbitali ns; il blocco p a np, il blocco d a (n−1)d e il blocco f a (n−2)f. Un sottolivello s contiene 2 elettroni, p 6, d 10 e f 14, valori che coincidono esattamente con le caratteristiche ampiezze dei blocchi.
blocco s
Gruppi 1–2 più elio in base alla configurazione elettronica. Schema esterno tipico ns¹–².
blocco p
Gruppi 13–18 eccetto He. Schema esterno tipico ns²np¹–⁶.
blocco d
Elementi di transizione. Si riempiono gli orbitali (n−1)d; la chimica coinvolge spesso sia elettroni ns sia d.
blocco f
Lantanoidi e attinoidi. Si riempiono gli orbitali (n−2)f; vengono di solito disegnati sotto per mantenere compatta la tavola.
Costruzione della disposizione della tavola periodica
Il periodo 1 contiene soltanto 1s e quindi due elementi. I periodi 2 e 3 riempiono ns e poi np, per un totale di 8 elementi ciascuno. I periodi 4 e 5 inseriscono un blocco d di dieci elementi tra s e p, arrivando a 18. I periodi 6 e 7 includono il blocco f di 14 elementi e possono contenere 32 elementi.
Le righe f separate sono una scelta tipografica. Nella tavola completa in forma lunga, lantanoidi e attinoidi appartengono tra le porzioni s e d dei periodi 6 e 7; spostarli sotto evita che la tavola diventi estremamente larga.
Leggere le configurazioni dalla posizione
La posizione nel blocco permette di ricavare rapidamente lo schema del sottolivello finale. Un elemento nella seconda colonna del blocco p ha np²; uno nella quinta ha np⁵, insieme al precedente ns² per gli elementi dei gruppi principali.
Per esempio, lo zolfo si trova nel periodo 3 e nella quarta colonna del blocco p, quindi ha configurazione [Ne]3s²3p⁴. Il calcio è nel periodo 4, seconda colonna di s, quindi [Ar]4s². Lo scandio apre la serie 3d dopo 4s²: [Ar]3d¹4s².
La mappa dei blocchi è utile, ma non infallibile
La classificazione in blocchi segue la struttura elettronica, ma le configurazioni reali dello stato fondamentale includono eccezioni. Cr e Cu non seguono la previsione più semplice 4s²3dⁿ e gli elementi più pesanti dei blocchi d e f mostrano ulteriori irregolarità perché i sottolivelli vicini sono prossimi in energia.
L’elio è un altro caso istruttivo: la sua configurazione è 1s², elettronicamente uno schema da blocco s, ma viene posto nel gruppo 18 perché il guscio chiuso e il comportamento chimico lo allineano ai gas nobili.
La tavola periodica codifica quindi contemporaneamente la configurazione elettronica e la somiglianza chimica. I due principi si rafforzano a vicenda, ma non sono sempre regole di classificazione identiche.
Costruzione periodo per periodo
| Periodo | Sottolivelli riempiti lungo il periodo | Numero massimo di elementi |
|---|---|---|
| 1 | 1s | 2 |
| 2 | 2s, 2p | 8 |
| 3 | 3s, 3p | 8 |
| 4 | 4s, 3d, 4p | 18 |
| 5 | 5s, 4d, 5p | 18 |
| 6 | 6s, 4f, 5d, 6p | 32 |
Lo schema mostra perché il numero del periodo e il valore n del sottolivello che si sta riempiendo non coincidono sempre. Il blocco d del periodo 4 è 3d e il blocco f del periodo 6 è 4f.
I blocchi collegano posizione e chimica
I metalli del blocco s hanno in genere uno o due elettroni ns facilmente rimovibili. La chimica del blocco p va dai metalli ai semimetalli fino ai non metalli fortemente elettronegativi mentre il sottolivello np si riempie lungo sei colonne. Gli elementi del blocco d mostrano stati di ossidazione variabili e chimica di coordinazione perché diversi stati d e s sono vicini in energia.
Il blocco f mostra variazioni più sottili lungo i lantanoidi perché gli elettroni 4f schermano male e restano relativamente contratti. Questa schermatura debole provoca la contrazione lantanidica, che a sua volta influenza le dimensioni dei metalli di transizione successivi.
L’elio e i limiti di una singola classificazione
Dal punto di vista elettronico, He è 1s² e rientrerebbe in una definizione del blocco s. Chimicamente, il guscio chiuso lo rende inequivocabilmente un gas nobile, quindi viene collocato sopra Ne nel gruppo 18. È un utile promemoria del fatto che la tavola periodica codifica sia il riempimento degli orbitali sia la chimica ricorrente.
Discussioni analoghe sull’esatta collocazione di alcuni estremi del blocco f riflettono lo stesso fatto: le etichette dei blocchi sono strumenti esplicativi, mentre le strutture elettroniche reali possono trovarsi vicino ai confini di classificazione.
Numeri di gruppo e posizione nel blocco
Per il blocco p, il numero moderno del gruppo può essere convertito nel numero di elettroni esterni s e p: i gruppi da 13 a 18 corrispondono grossomodo da ns²np¹ a ns²np⁶. Per questo C e Si, entrambi nel gruppo 14, condividono uno schema di valenza ns²np² anche se i loro numeri di livello principale sono diversi.
Nel blocco d la relazione è meno diretta perché le occupazioni ns e (n−1)d possono riordinarsi. Il numero del gruppo continua a riflettere in modo generale il conteggio elettronico e la chimica, ma gli stati di ossidazione e le configurazioni reali devono essere verificati elemento per elemento.
La sequenza ritardata del blocco d
Il primo sottolivello d è 3d, ma non inizia a riempirsi fino al periodo 4 perché 4s diventa energeticamente accessibile per primo. Analogamente, 4d appartiene al periodo 5 e 5d al periodo 6. Il numero del periodo indica quindi il livello principale più alto occupato all’inizio e alla fine della riga, non ogni sottolivello riempito nel mezzo.
Il blocco f e la contrazione lantanidica
Lungo la serie 4f, gli elettroni f aggiunti schermano male l’aumento della carica nucleare. La nube elettronica esterna viene progressivamente attirata verso l’interno, producendo la contrazione lantanidica. L’effetto si estende oltre il blocco f: Hf finisce per avere dimensioni simili a Zr, influenzando la chimica dell’intera serie di transizione 5d.
Il blocco f non è quindi un’appendice separata. La sua struttura elettronica modifica le dimensioni e la chimica degli elementi che lo seguono nel corpo principale della tavola.
Esercizi
Lunghezza del periodo 4
Perché il periodo 4 contiene 18 elementi?
Soluzione
Si riempiono 4s² + 3d¹⁰ + 4p⁶ = 18 elettroni lungo il periodo.
Selenio
Se si trova nel periodo 4, quarta colonna del blocco p. Indica la sua configurazione esterna.
Soluzione
4s²4p⁴, preceduta dal 3d¹⁰ completo e dal nucleo elettronico [Ar].
blocco f
Perché il blocco f è largo 14 elementi?
Soluzione
f ha ℓ = 3, quindi 2ℓ + 1 = 7 orbitali; 7 × 2 = 14 elettroni.