Il raggio atomico: andamenti sulla tavola periodica

Il raggio atomico e la prima grandezza che ogni proprieta periodica trascina con se: dimensione, densita di carica, reattivita e perfino la durezza di una lega dipendono da quanto e grande un atomo. Eppure il suo andamento sulla tavola periodica si riassume in due movimenti semplici e opposti, governati dal tiro tra carica nucleare e schermatura degli elettroni interni.

Vediamo come si definisce il raggio atomico, perche diminuisce lungo un periodo e cresce lungo un gruppo, e quali eccezioni industriali contano davvero.

Che cosa misuriamo quando parliamo di raggio

Un atomo non ha un confine netto: la nuvola elettronica sfuma gradualmente verso l’esterno. Per assegnargli una dimensione si ricorre quindi a definizioni operative. Il raggio covalente e la meta della distanza tra due nuclei identici legati covalentemente; il raggio metallico e la meta della distanza tra atomi vicini in un metallo; il raggio di van der Waals descrive il contatto tra atomi non legati. Sono numeri diversi per lo stesso elemento, e per confrontare elementi tra loro occorre usare sempre lo stesso criterio.

Lungo il periodo: il raggio diminuisce

Procedendo da sinistra a destra in un periodo, ad ogni passo si aggiunge un protone al nucleo e un elettrone allo stesso livello esterno. Gli elettroni dello stesso guscio si schermano poco a vicenda, quindi la carica nucleare efficace percepita dagli elettroni di valenza cresce di passo in passo: il guscio viene tirato piu vicino al nucleo e l’atomo si contrae. La diminuzione e marcata: in un periodo si possono perdere diverse decine di picometri.

Z_eff = Z − S

Il concetto chiave e che la schermatura tra elettroni dello stesso livello e parziale, mentre il numero atomico aumenta in modo netto. Il bilancio favorisce sempre l’attrazione, e il raggio cala. Questo legame tra raggio e carica nucleare efficace e approfondito nello spoke dedicato alle regole di Slater.

Lungo il gruppo: il raggio cresce

Scendendo lungo un gruppo, invece, si aggiunge ogni volta un guscio elettronico completo. Gli elettroni piu esterni si trovano in livelli con numero quantico principale maggiore, mediamente piu lontani dal nucleo, e sono schermati in modo efficace da tutti i gusci interni completi. Anche se la carica nucleare aumenta, l’effetto della distanza e della schermatura prevale: l’atomo diventa nettamente piu grande.

Cationi piccoli, anioni grandi

La carica modifica il raggio in modo netto. Un catione e sempre piu piccolo dell’atomo neutro: perdendo elettroni, spesso un intero guscio esterno, la carica nucleare si distribuisce su meno elettroni e li tira piu vicino. Un anione e sempre piu grande: l’elettrone aggiunto aumenta la repulsione e gonfia la nuvola. Per ioni isoelettronici (stesso numero di elettroni) vale una regola pratica: piu protoni nel nucleo, piu piccolo lo ione.

L’anomalia dei metalli di transizione

Attraversando una serie di transizione, i raggi non calano in modo regolare come nei blocchi principali: dopo una contrazione iniziale tendono a stabilizzarsi e talvolta a risalire verso la fine della serie. Nella prima serie, per esempio, lo scandio sta intorno a 160 pm e da li i valori scendono fino a stabilizzarsi intorno a 124-128 pm tra ferro, nichel e rame. La ragione e che gli elettroni d, aggiunti in un guscio interno, schermano in modo relativamente efficace gli elettroni di valenza, attenuando l’aumento della carica nucleare efficace.

La contrazione lantanidica

Un effetto particolarmente importante e la contrazione lantanidica: il riempimento progressivo degli orbitali 4f, schermanti in modo molto inefficace, fa si che dopo i lantanidi gli atomi siano piu piccoli del previsto. Il risultato sorprendente e che gli elementi della terza serie di transizione hanno raggi quasi identici a quelli della seconda, anziche maggiori. Da qui la nota somiglianza chimica e dimensionale di coppie come zirconio-afnio, che rende difficile separarli, e l’elevata densita dei metalli pesanti del blocco d.

Perche conta nella pratica

Per chi lavora con materiali, leghe e composti, il raggio atomico non e un’astrazione: determina quali atomi si sostituiscono in un reticolo, quanto rinforza una lega, come si impacchettano gli ioni in un cristallo e quanto e polarizzabile un anione. Capire i suoi andamenti permette di prevedere solubilita reciproche, scegliere droganti e additivi, e leggere la tavola periodica come una mappa di dimensioni oltre che di proprieta chimiche. E il primo mattone per comprendere energia di ionizzazione, affinita elettronica ed elettronegativita.

Domande frequenti

Perche il raggio atomico diminuisce lungo un periodo?

Perche ad ogni passo si aggiunge un protone al nucleo e un elettrone allo stesso guscio esterno. Gli elettroni dello stesso livello si schermano poco a vicenda, quindi la carica nucleare efficace percepita cresce e tira gli elettroni di valenza piu vicino al nucleo. L’atomo si contrae progressivamente, perdendo decine di picometri da sinistra a destra del periodo.

Perche il raggio cresce scendendo lungo un gruppo?

Perche ad ogni riga si aggiunge un intero guscio elettronico: gli elettroni di valenza occupano livelli con numero quantico principale maggiore, mediamente piu lontani dal nucleo e ben schermati dai gusci interni completi. Anche se la carica nucleare aumenta, prevalgono la distanza e la schermatura, e l’atomo diventa nettamente piu grande.

Perche un catione e piu piccolo dell’atomo neutro?

Perche perdendo elettroni, spesso un intero guscio esterno, la stessa carica nucleare agisce su un numero minore di elettroni e li attrae piu fortemente. La nuvola elettronica si contrae. Un anione, al contrario, e piu grande dell’atomo neutro perche l’elettrone aggiunto aumenta la repulsione e gonfia la distribuzione elettronica.

Che cos’e la contrazione lantanidica?

E la contrazione anomala dei raggi causata dal riempimento degli orbitali 4f, che schermano in modo molto inefficace. Dopo i lantanidi gli atomi risultano piu piccoli del previsto, al punto che gli elementi della terza serie di transizione hanno raggi quasi identici a quelli della seconda. E la ragione della forte somiglianza tra zirconio e afnio e dell’alta densita dei metalli pesanti del blocco d.

Perche il raggio atomico conta per le leghe?

Perche il rinforzo per soluzione solida dipende dal disaccordo dimensionale tra atomo ospite e atomo aggiunto: maggiore la differenza di raggio, maggiore l’effetto rinforzante. E il motivo per cui il bronzo, in cui lo stagno e nettamente piu grande del rame, e piu resistente dell’ottone, in cui lo zinco ha raggio simile al rame. Conoscere i raggi guida la scelta dei componenti di lega.