Nel capitolo 3 “Atomi, molecole e ioni”, abbiamo introdotto la tavola periodica come strumento per organizzare gli elementi chimici conosciuti. Una tavola periodica è mostrata nella figura 8.11 “La tavola periodica”. Gli elementi sono elencati per numero atomico (il numero di protoni nel nucleo), e gli elementi con proprietà chimiche simili sono raggruppati in colonne.

Perché la tavola periodica ha la struttura che ha? La risposta è piuttosto semplice, se si capiscono le configurazioni degli elettroni: la forma della tavola periodica imita il riempimento dei sottogusci con gli elettroni.

Cominciamo con H e He. Le loro configurazioni elettroniche sono 1s1 e 1s2, rispettivamente; con He, il guscio n = 1 è riempito. Questi due elementi costituiscono la prima fila della tavola periodica (vedi Figura 8.12 “L’1”).

I due elettroni successivi, per Li e Be, andrebbero nel sottoguscio 2s. La figura 8.13 “Il 2” mostra che questi due elementi sono adiacenti sulla tavola periodica.

Per i prossimi sei elementi, il sottoguscio 2p viene occupato da elettroni. Sul lato destro della tavola periodica, questi sei elementi (da B a Ne) sono raggruppati insieme (Figura 8.14 “Il 2”).

Il prossimo sottoguscio ad essere riempito è il sottoguscio 3s. Gli elementi quando questo sottoguscio viene riempito, Na e Mg, sono di nuovo sul lato sinistro della tavola periodica (Figura 8.15 “Il 3”).

Poi, il sottoguscio 3p viene riempito con i prossimi sei elementi (Figura 8.16 “Il 3”).

Invece di riempire il sottoguscio 3d, gli elettroni vanno nel sottoguscio 4s (Figura 8.17 “Il 4”).

Dopo che il sottoguscio 4s è riempito, il sottoguscio 3d è riempito fino a 10 elettroni. Questo spiega la sezione di 10 elementi nel mezzo della tavola periodica (Figura 8.18 “Il 3”).

E così via. Mentre attraversiamo le righe della tavola periodica, la forma generale della tavola delinea come gli elettroni occupano i gusci e i sottogusci.

Le prime due colonne sul lato sinistro della tavola periodica sono dove i sottogusci s sono occupati. Per questo motivo, le prime due righe della tavola periodica sono etichettate come blocco s. Allo stesso modo, il blocco p sono le sei colonne più a destra della tavola periodica, il blocco d sono le 10 colonne centrali della tavola periodica, mentre il blocco f è la sezione di 14 colonne che viene normalmente rappresentata come staccata dal corpo principale della tavola periodica. Potrebbe essere parte del corpo principale, ma allora la tavola periodica sarebbe piuttosto lunga e ingombrante. La figura 8.19 “Blocchi della tavola periodica” mostra i blocchi della tavola periodica.

Gli elettroni nel guscio più alto, più qualsiasi elettrone nell’ultimo sottoguscio non riempito, sono chiamati elettroni di valenza; il guscio più alto è chiamato guscio di valenza. (Gli elettroni interni sono chiamati elettroni del nucleo). Gli elettroni di valenza controllano ampiamente la chimica di un atomo. Se guardiamo solo la configurazione degli elettroni del guscio di valenza, troviamo che in ogni colonna, la configurazione degli elettroni del guscio di valenza è la stessa. Per esempio, prendiamo gli elementi della prima colonna della tavola periodica: H, Li, Na, K, Rb e Cs. Le loro configurazioni elettroniche (abbreviate per gli atomi più grandi) sono le seguenti, con la configurazione elettronica del guscio di valenza evidenziata:

Hanno tutti una configurazione elettronica simile nei loro gusci di valenza: un singolo elettrone s. Poiché gran parte della chimica di un elemento è influenzata dagli elettroni di valenza, ci aspetteremmo che questi elementi abbiano una chimica simile. L’organizzazione degli elettroni negli atomi spiega non solo la forma della tavola periodica ma anche il fatto che gli elementi nella stessa colonna della tavola periodica hanno una chimica simile.

Lo stesso concetto si applica alle altre colonne della tavola periodica. Gli elementi in ogni colonna hanno le stesse configurazioni elettroniche del guscio di valenza, e gli elementi hanno alcune proprietà chimiche simili. Questo è strettamente vero per tutti gli elementi nei blocchi s e p. Nei blocchi d ed f, poiché ci sono eccezioni all’ordine di riempimento dei sottogusci con gli elettroni, gusci di valenza simili non sono assoluti in questi blocchi. Tuttavia, molte somiglianze esistono in questi blocchi, quindi ci si aspetta una somiglianza nelle proprietà chimiche.

La somiglianza della configurazione elettronica del guscio di valenza implica che possiamo determinare la configurazione elettronica di un atomo solo dalla sua posizione sulla tavola periodica. Consideriamo Se, come mostrato nella figura 8.20 “Il selenio sulla tavola periodica”. Si trova nella quarta colonna del blocco p. Ciò significa che la sua configurazione elettronica dovrebbe finire in una configurazione elettronica p4. Infatti, la configurazione elettronica di Se è 4s23d104p4, come previsto.