Finora in questo capitolo 10 elementi sono stati definiti e discussi. Un totale di altri 10 sono necessari per completare la tavola periodica abbreviata a 20 elementi. I loro nomi e proprietà sono riassunti brevemente qui. La tavola periodica è riportata nella Figura 3.9.
Il sodio, Na, numero atomico 11, massa atomica 22.99, viene direttamente sotto il litio nella tavola periodica ed è molto simile al litio nell’essere un metallo morbido, chimicamente molto reattivo., C’è un isotopo principale di sodio contenente 12 neutroni nel nucleo dell’atomo. Il sodio ha 10 elettroni del guscio interno contenuti nel suo primo guscio interno di 2 elettroni e nel suo secondo uno di 8 elettroni. L’11 ° elettrone nell’atomo di sodio si trova in un terzo guscio, che è un guscio esterno. Questo è mostrato come un singolo punto nel simbolo Lewis di Na in Figura 3.7. Gli elettroni nel sodio possono essere rappresentati come mostrato in Figura 3.7.
Il magnesio, Mg, numero atomico 12, massa atomica 24.31, ha 12 elettroni per atomo quindi ha 2 elettroni del guscio esterno. Ci sono tre isotopi di magnesio contenenti 12, 13 e 14 neutroni. Il magnesio è un metallo relativamente forte e molto leggero che viene utilizzato in aeromobili, scale di estensione, strumenti portatili e altre applicazioni in cui il peso leggero è particolarmente importante.
Alluminio, Al, numero atomico 13, massa atomica 26.,98, ha 3 elettroni di guscio esterno oltre ai suoi 10 elettroni interni. L’alluminio è un metallo leggero utilizzato in aerei, automobili, linee di trasmissione elettrica, costruzione di edifici e molte altre applicazioni. Sebbene sia chimicamente reattivo, il rivestimento di ossido formato quando l’alluminio sulla superficie del metallo reagisce con l’ossigeno nell’aria è auto-protettivo e previene più corrosione.
In alcuni aspetti importanti l’alluminio può essere considerato un metallo verde., Ciò è perché l’alluminio permette alla costruzione delle forti componenti leggere che, una volta utilizzate negli aerei e nelle automobili, richiedono relativamente meno energia muoversi. Quindi l’alluminio è importante nel risparmio energetico. I cavi in alluminio forniscono anche un modo efficiente per trasmettere elettricità. Sebbene i minerali da cui è fatto l’alluminio siano una risorsa estrattiva scavata dalla terra, l’alluminio è un elemento abbondante. E ci sono risorse alternative che possono essere sviluppate, incluso l’alluminio nelle ceneri volanti rimaste dalla combustione del carbone., Inoltre, l’alluminio è uno dei metalli più riciclabili e l’alluminio di scarto viene facilmente fuso e fuso in nuovi prodotti in alluminio.
Se un “elemento del secolo” dovesse essere nominato per il 1900, humble silicon, Si, numero atomico 14, massa atomica 28.09, sarebbe un probabile candidato. Questo perché il silicio è il più comunemente usato degli elementi semiconduttori e durante gli ultimi 1900 ha fornito la base per l’esplosione nell’elettronica e nei computer basati su dispositivi semiconduttori composti principalmente da silicio., Nonostante il valore di questi prodotti a base di silicio, il silicio è abbondante nel suolo e nelle rocce, classificandosi al secondo posto dietro l’ossigeno come costituente della crosta terrestre. L’atomo di silicio ha 4 elettroni di guscio esterno, mezzo ottetto, ed è un metalloide, intermedio nel comportamento tra i metalli a sinistra della tavola periodica e i non metalli a destra.
Riducendo notevolmente la maggior parte dei componenti elettronici rispetto alle prestazioni, il silicio ha contribuito a un enorme risparmio di materiali utilizzati in radio, televisori, apparecchiature di comunicazione e altri dispositivi elettronici., Inoltre, i dispositivi a semiconduttore a base di silicio utilizzati nell’elettronica a stato solido consumano solo una frazione dell’elettricità utilizzata una volta dai dispositivi basati su tubi a vuoto. I fili ingombranti in rame relativamente scarso precedentemente impiegati per trasmettere segnali di comunicazione elettricamente sono stati in gran parte sostituiti da dispositivi in fibra ottica costituiti da silice trasparente, SiO2, che trasferiscono informazioni come impulsi di luce. Una fibra ottica simile a un capello può trasmettere molte volte la quantità di informazioni per unità di tempo come il filo di rame spesso che sostituisce., E l’energia necessaria per la trasmissione di un’unità di informazioni da un cavo in fibra ottica è minuscola rispetto a quella necessaria per inviare le stesse informazioni tramite impulso elettrico su filo di rame. Quindi il silicio è veramente un elemento verde che, sebbene economico e abbondante, svolge funzioni elettroniche e di comunicazione molto più velocemente e meglio del rame e di altri metalli che ha sostituito.
Fosforo, P, numero atomico 15, massa atomica 30,97, ha 5 elettroni del guscio esterno. Quindi è direttamente sotto l’azoto nella tavola periodica e assomiglia all’azoto nel suo comportamento chimico., Il fosforo elementare puro si presenta in diverse forme, la più abbondante delle quali è il fosforo bianco. Il fosforo bianco è un metalloide chimicamente molto reattivo che può prendere fuoco spontaneamente nell’atmosfera. È tossico e causa il deterioramento dell’osso. La mandibola è particolarmente suscettibile agli effetti del fosforo e sviluppa una condizione nota come “mascella phossy” in cui l’osso diventa poroso e debole e può rompersi dal ceppo della masticazione., Il fosforo combinato chimicamente è un elemento vitale essenziale, tuttavia, ed è uno dei componenti del DNA, la molecola di base che dirige i processi vitali molecolari. Il fosforo è inoltre un fertilizzante essenziale della pianta ed è un ingrediente di molti prodotti chimici industriali compreso alcuni antiparassitari.
L’arsenico è nello stesso gruppo della tavola periodica del fosforo e si presenta come un’impurità con fosforo lavorato dal minerale. Se questo fosforo deve essere usato per il cibo, l’arsenico deve essere rimosso.
Zolfo, S, numero atomico 16, massa atomica 32.06, ha 6 elettroni del guscio esterno., È un fragile, generalmente giallo metalloide. È un nutriente essenziale per le piante e gli animali che si verificano negli amminoacidi che compongono le proteine. Lo zolfo è un comune inquinante atmosferico emesso come anidride solforosa, SO2, nella combustione di combustibili fossili che contengono zolfo. Gran parte delle grandi quantità di zolfo necessarie per la produzione industriale di acido solforico e altre sostanze chimiche contenenti zolfo viene recuperata dall’idrogeno solforato, H2S, che contamina gran parte del gas naturale (metano, CH4) che è un combustibile così importante e materia prima nel mondo di oggi., In linea con la migliore pratica della chimica verde, l’idrogeno solforato viene separato dal gas naturale grezzo e circa 1/3 di esso viene bruciato,
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producendo anidride solforosa, SO2. L’anidride solforosa prodotta viene quindi fatta reagire con l’idrogeno solforato rimanente attraverso la reazione di Claus, sotto, producendo un prodotto di zolfo elementare che viene utilizzato per sintetizzare acido solforico e altre sostanze chimiche di zolfo.
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Cloro, Cl, numero atomico 17, massa atomica 35.453, ha 7 elettroni del guscio esterno, solo 1 elettrone a corto di un ottetto completo., Il cloro elementare è un gas biatomico giallo-verdastro costituito da molecole Cl2. In queste molecole gli atomi Cl raggiungono ottetti stabili di elettroni del guscio esterno condividendo due elettroni in un legame covalente come illustrato nella Figura 3.8. L’atomo di cloro può anche accettare un elettrone per raggiungere un ottetto stabile nell’anione Cl come mostrato nel cloruro di sodio composto ionico, NaCl, in Figura 3.8.
Il cloro elementare può essere letale se inalato ed è stato il primo gas velenoso militare utilizzato nella prima guerra mondiale., Nonostante la sua natura tossica, il gas cloro ha salvato molte vite a causa del suo uso per circa gli ultimi 100 anni come disinfettante per l’acqua potabile che ha sradicato malattie mortali trasmesse dall’acqua, come il colera e il tifo. Il cloro è un importante prodotto chimico industriale che viene utilizzato per produrre materie plastiche e solventi. Non c’è possibilità di una carenza di cloro e può anche essere fatta facendo passare una corrente elettrica attraverso l’acqua di mare, che contiene cloro come cloruro di sodio disciolto.
Gli aspetti verdi del cloro dipendono dalla sua applicazione., Il cloro elementare è certamente un materiale pericoloso la cui fabbricazione e l’uso sono generalmente da evitare dove possibile nella pratica della chimica verde. Ma, come notato sopra, il cloro elementare ha salvato molte vite a causa dei suoi usi per disinfettare l’acqua. Un certo numero di pesticidi persistenti tra cui il DDT sono composti organici composti da cloro insieme a carbonio e idrogeno., Oltre al danno ecologico causato da questi pesticidi, i sottoprodotti dei rifiuti della loro fabbricazione e della produzione di altri composti organoclorurati sono tra i contaminanti più abbondanti delle discariche chimiche di rifiuti pericolosi fastidiosi. Una plastica comune, il cloruro di polivinile (PVC), contiene cloro. Questa plastica è ampiamente utilizzata nel tubo dell’acqua e nel tubo di scarico, nella precedente applicazione che sostituisce il metallo di rame relativamente scarso e costoso e il piombo tossico. Ma il materiale usato per fare il PVC è cloruro di vinile volatile., È uno dei pochi agenti cancerogeni umani conosciuti, avendo causato casi documentati di una rara forma di cancro al fegato in lavoratori precedentemente esposti a livelli molto elevati di vapori di cloruro di vinile sul posto di lavoro. A causa dei pericoli del cloro elementare e dei problemi causati dai composti organoclorurati, la pratica della chimica verde cerca certamente di ridurre al minimo la produzione e l’uso del cloro elementare e generalmente tenta di ridurre al minimo la produzione di composti organoclorurati e la loro dispersione nell’ambiente.
Elemento numero 18, argon, Ar, massa atomica 39.,95, ci porta alla fine del terzo periodo della tavola periodica abbreviata. Ha un ottetto completo di elettroni del guscio esterno ed è un gas nobile. Non sono stati isolati veri composti chimici di argon e non sono stati noti legami chimici che coinvolgono questo elemento fino alla formazione di un legame transitorio molto instabile che coinvolge atomi Ar nel settembre 2000. L’argon compone circa l ‘ 1% in volume nell’atmosfera. In gran parte a causa della sua natura chimicamente inerte, argon ha alcuni usi. Viene impiegato come gas per riempire le lampadine a incandescenza., A questo proposito aiuta a prevenire l’evaporazione di atomi di tungsteno bianco-caldo dal filamento della lampada incandescente, prolungando così in modo significativo la durata della lampadina. Viene anche utilizzato come mezzo plasma negli strumenti impiegati per l’analisi delle emissioni atomiche al plasma accoppiate induttivamente di inquinanti elementari. In questa applicazione un segnale a radiofrequenza viene utilizzato per convertire l’argon in un plasma gassoso che contiene ioni Ar + caricati positivamente e elettroni caricati negativamente e viene riscaldato a un incredibilmente caldo 10.000 C.,
Completando la Tavola periodica
L’elemento successivo da aggiungere alla tavola periodica abbreviata è l’elemento numero 19. Questo inizia un quarto periodo della tavola periodica. Questo periodo contiene in realtà 18 elementi, ma lo prenderemo solo fino ai primi due. Questo perché l’elemento numero 21 è il primo dei metalli di transizione e per spiegare il loro posizionamento nella tavola periodica sulla base degli elettroni in essi diventa un po ‘ più complicato e coinvolto di quanto sia appropriato per questo libro., Il lettore che ha bisogno di maggiori dettagli si riferisce ad altri libri standard sulla chimica iniziale.2,3
L’elemento con numero atomico 19 è il potassio, K, con una massa atomica di 39,10. La maggior parte del potassio è costituita dall’isotopo con 20 neutroni, . Tuttavia, una piccola frazione di K naturale è sotto forma di
. Questo è un isotopo radioattivo di potassio e poiché tutti abbiamo potassio (un elemento essenziale per la vita) nei nostri corpi, siamo tutti naturalmente radioattivi!, La massa muscolare contiene più potassio del tessuto adiposo (grasso), quindi più persone muscolose sono più radioattive. Ma non preoccupatevi, i livelli di radioattività da potassio nel corpo sono troppo bassi per causare preoccupazione e, in nessun caso, non può essere evitato. (Un sostenitore dell’energia nucleare ha sottolineato che dormire con una persona muscolosa espone a più radioattività di quanto non viva vicino a un reattore nucleare.)
Le stesse cose che si possono dire del sodio, elemento numero 11, sono generalmente vere per il potassio., Nello stato elementare puro, il potassio è un metallo alcalino molto reattivo. Come elemento essenziale per la vita, è un fertilizzante comune aggiunto al suolo per far crescere bene le colture. Chimicamente, il potassio perde il suo singolo elettrone del guscio esterno per produrre lo ion K+.
Calcio, Ca, numero atomico 20, massa atomica 40.08, ha 2 elettroni del guscio esterno, due oltre un ottetto completo. L’atomo di calcio perde facilmente i suoi 2 elettroni “extra” per produrre Ca2 + catione. Come altri elementi del suo gruppo nella tavola periodica, il calcio è un metallo alcalino-terroso., Il metallo di calcio elementare è chimicamente reattivo, anche se non tanto quanto il potassio. Il calcio ha proprietà chimiche molto simili a quelle del magnesio, il metallo alcalino terroso direttamente sopra il calcio nella tavola periodica.
Il calcio è essenziale per la vita, sebbene la maggior parte dei suoli contenga calcio sufficiente per sostenere la crescita ottimale del raccolto. Il calcio è molto importante nei nostri corpi perché come idrossiapatite minerale dura, Ca5OH (PO4)3, è il materiale duro nei denti e nelle ossa., La carenza di calcio può causare la formazione di denti poveri e lo sviluppo di osteoporosi invalidante una condizione caratterizzata da ossa deboli che è particolarmente probabile che affligga le donne anziane.