015 – Proprietà dei metalli

La tavola periodica è, prima di ogni altra cosa, un riassunto di comportamento. Gli elementi sono posizionati dove si trovano a causa di come conducono, di come si deformano e con cosa reagiscono, e quelle stesse proprietà sono ciò che dice a un ingegnere se un materiale appartiene a un filo, a un dissipatore di calore, a una trave strutturale o a una batteria. Distinguere un metallo da un non-metallo da un semimetallo è la prima classificazione che un chimico impara, e viene fatta non cercando una risposta ma facendo prove.

Quattro proprietà fisiche e due chimiche separano le classi. I metalli conducono l'elettricità perché i loro elettroni più esterni sono delocalizzati e liberi di muoversi attraverso il reticolo; gli stessi elettroni mobili trasportano il calore, conferiscono alla superficie la sua lucentezza riflettente e permettono ai piani del reticolo di scorrere gli uni sugli altri senza rompersi, il che costituisce la malleabilità. I non metalli trattengono i loro elettroni in legami covalenti localizzati e non fanno nessuna di queste cose. I semimetalli si collocano a metà: il reticolo covalente del silicio trasmette il calore sotto forma di vibrazioni in modo eccellente ma rilascia quasi nessun portatore di carica, il che è esattamente ciò che lo rende un semiconduttore. Chimicamente, un metallo che si trova sopra l'idrogeno nella serie di attività lo sposta dall'acido, e i metalli più reattivi — le famiglie dei metalli alcalini e alcalino-terrosi sulla sinistra della tavola periodica — lo fanno dalla sola acqua, lasciando dietro di sé un idrossido e quindi una soluzione fortemente basica.

In questo laboratorio testerete dieci elementi. Cinque — zinco, zolfo, silicio, ferro e piombo — vengono esaminati per la conducibilità elettrica e termica, la lucentezza, la malleabilità e la reazione con acido cloridrico 1 M, e classificati in base ai risultati. altri cinque — litio, sodio, potassio, magnesio e calcio — vengono immessi in acqua distillata, osservati per l'effervescenza e testati con carta di tornasole rossa e blu per stabilire se si è formata una base. La tabella dei risultati completata è una piccola versione sperimentale del blocco di sinistra della tavola periodica.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Individuare e utilizzare le attrezzature di un banco di prova per materiali: il rilevatore di conducibilità elettrica, le tenaglie, la carta vetrata, i due set di becher, il contagocce, le cartine tornasole e la tabella del pH.

Uso di dispositivi di protezione e manipolazione sicura di metalli reattivi

• Indossare guanti e protezione per gli occhi e maneggiare ogni campione di metallo con le pinze anziché a mani nude.
• I metalli alcalini vengono aggiunti all'acqua in piccoli pezzi e indossando una protezione per gli occhi perché reagiscono violentemente, producendo idrogeno gassoso infiammabile e calore sufficiente a causare esplosioni o incendi. L'acido cloridrico 1 M richiede la stessa cautela poiché è una soluzione fortemente corrosiva che può causare gravi ustioni alla pelle e danni permanenti agli occhi in caso di schizzi.

Test delle proprietà fisiche

• Utilizzare correttamente il rivelatore di conducibilità e prima abradere un campione con carta smeriglio in modo che l'ossido superficiale non mascheri il metallo sottostante.
• Valuta la conducibilità termica, la lucentezza metallica e la malleabilità, e descrivi ciascuna osservazione in termini che un altro studente possa riprodurre.

Test delle proprietà chimiche

• Osserva la reazione di ciascuno dei cinque elementi con acido cloridrico 1 M e registra se si sviluppa idrogeno.
• Mettere i campioni di metalli alcalini e alcalino-terrosi in acqua distillata, osservare l'effervescenza e usare la carta di tornasole rossa e blu per determinare se la soluzione risultante è basica.

Classificazione degli elementi sulla base delle prove

• Classifica ogni elemento come metallo, non metallo o metalloide sulla base dei sei criteri, anziché in base alla sua posizione nella tavola periodica.
• Spiega quale singola proprietà sia la più diagnostica e quali osservazioni, prese singolarmente, potrebbero essere fuorvianti.

Collegare il comportamento alle tendenze periodiche

• Metti in relazione la conduttività, la lucentezza e la malleabilità con gli elettroni delocalizzati nel reticolo metallico.
• Metti in relazione la reattività con gli acidi e con l’acqua alla posizione nella serie di attività e alla facilità con cui un atomo perde il proprio elettrone più esterno.

Registrazione e interpretazione di una matrice di risultati

• Compila una tabella di dieci elementi per sei proprietà e individua le tendenze sia orizzontalmente che verticalmente.
• Individuare le voci che richiedono una nota esplicativa anziché una semplice risposta “sì” o “no”.

Protocollo

Parte A: Le proprietà di metalli, non metalli e semimetalli

Conducibilità elettrica

1. Prendi il rivelatore a conducibilità elettrica (ECD) e accendilo.
2. Prendi un campione di zinco usando le pinzette.
3. Posiziona gli elettrodi ECD sul pezzo di zinco (assicurati che entrambi gli elettrodi siano contemporaneamente a contatto con il pezzo).
4. Osservare se la lampadina ECD si accende o meno, il risultato si trova nella tabella dei risultati.
5. Ripeti i passaggi da 2 a 4 con i pezzi di zolfo, silicio, ferro e piombo.

Conducibilità termica

1. Prendi un campione di zinco usando le pinzette.
2. Posiziona il palmo della tua mano libera sul pezzo di zinco. Il risultato della sensazione al tatto viene registrato nella tabella dei risultati.
3. Ripeti i passaggi 1 e 2 con pezzi di zolfo, silicio, ferro e piombo.

Splendere

1. Prendi un campione di zinco usando le pinzette.
2. Con l'altra mano, strofina leggermente il pezzo di zinco con carta vetrata per rimuovere ogni traccia di sporco o ossidazione su una sua parte.
3. Osservare l'area sfregata, l'osservazione si trova nella tabella dei risultati, sia che mostri una lucentezza metallica o meno.
4. Posiziona il pezzo nel cestino di recupero.
5. Ripeti i passaggi 1, 2 e 3 con i pezzi di zolfo, silicio, ferro e piombo.

Malleabilità

1. Prendi un campione di zinco usando le pinzette.
2. Con l'altra mano, prendi la pinza piegatrice e prova a piegare il campione di zinco.
3. Si noti la malleabilità nella tabella dei risultati. Se il pezzo si piega leggermente, è malleabile. Se si rompe o non si piega, non è malleabile.
4. Posiziona il pezzo nel cestino di recupero.
5. Ripeti i passaggi da 1 a 4 con i pezzi di zolfo, silicio, ferro e piombo.

Reazione all'acido

1. Posizionare un pezzo di zinco, zolfo, silicio, ferro e piombo in ciascuno dei bicchieri da 50 mL già identificati per nome.
2. Usando il contagocce, prelevare la soluzione di acido cloridrico (HCl 1 M) e versarne qualche goccia su un pezzo di zinco.
3. Osservare se avviene una reazione effervescente (presenza di piccole bollicine). La reazione sarà annotata nella tabella dei risultati.
4. Ripeti i passaggi 2 e 3 con i pezzi di zolfo, silicio, ferro e piombo.

Parte B: Le proprietà dei metalli alcalini e dei metalli alcalino terrosi

Reazione con l'acqua

1. Nei becher identificati litio, sodio, potassio, magnesio e calcio, versare 50 mL di acqua distillata.
2. Immergi un pezzo di carta tornasole rossa e un pezzo di carta tornasole blu in ogni becher per confermare la neutralità dell'acqua utilizzata nei becher.

Un mezzo neutro non cambierà il colore delle cartine di tornasole.

3. Con le pinze, prelevare un campione delle sostanze litio, sodio, potassio, magnesio e calcio e porli in ciascuno dei becher da 50 mL (contenenti l'acqua distillata) già identificati con il nome.

Osservare se avviene una reazione effervescente (presenza di piccole bollicine). La reazione sarà annotata nella tabella dei risultati.

4. Immergi di nuovo un pezzo di carta tornasole rossa e un pezzo di carta tornasole blu in ciascun becher.

Risultati Previsti

La tabella dei risultati completata. Sei prove su dieci elementi. I cinque elementi a sinistra della tabella vengono sottoposti a prova con acido cloridrico 1 M; i metalli alcalini e alcalino-terrosi a destra vengono sottoposti a prova anche con acqua distillata.

Come leggere la tabella. La conduttività elettrica è il criterio più determinante: solo lo zolfo e il silicio non lo soddisfano, mentre tutti gli elementi che lo soddisfano presentano anche lucentezza. La malleabilità separa ulteriormente il gruppo: il magnesio e il calcio sono fragili anziché malleabili, nonostante siano metalli inequivocabili, a ricordarci che la malleabilità dipende da come sono impilati i piani del reticolo cristallino, non semplicemente dalla presenza del legame metallico. La reazione con l’acqua è la colonna che isola le due famiglie all’estrema sinistra: litio, sodio, potassio e calcio reagiscono, il magnesio non reagisce in modo apprezzabile a temperatura ambiente e nessuno dei cinque campioni di metalli di transizione o post-transizione reagisce.

Perché i metalli conducono. In un reticolo metallico gli elettroni esterni non sono legati ai singoli atomi, ma occupano stati delocalizzati che si estendono attraverso l’intero cristallo. Una tensione applicata fa scorrere quel mare di elettroni: è questa la conduzione elettrica; gli stessi elettroni in rapido movimento trasportano anche energia cinetica dalle regioni calde a quelle fredde, motivo per cui i buoni conduttori elettrici sono quasi sempre buoni conduttori termici, e riflettono la luce visibile in tutto lo spettro, il che costituisce la lucentezza metallica. Poiché il legame è non direzionale, un piano di ioni può scivolare su quello adiacente senza che il legame si rompa — da qui la malleabilità, a condizione che la struttura cristallina consenta lo scorrimento.

Il silicio, il semimetallo. Il silicio è il caso istruttivo. Conduce bene il calore — circa 149 W/(m·K), meglio del ferro — perché il calore viaggia attraverso il suo rigido reticolo covalente sotto forma di vibrazioni, che non richiedono affatto elettroni liberi. Ma quegli stessi legami covalenti tengono bloccato al suo posto ogni elettrone di valenza, cosicché il silicio puro non trasporta quasi nessuna corrente: a temperatura ambiente solo una frazione infinitesimale di elettroni possiede abbastanza energia per oltrepassare la sua banda proibita. La conduzione del calore mediante vibrazioni reticolari e la conduzione di carica mediante elettroni mobili sono meccanismi separati, e il silicio ne possiede uno senza l'altra. È precisamente questa la proprietà che lo rende un semiconduttore e la base dell'intera industria elettronica, poiché l'aggiunta deliberata di impurità ne aumenta la conduttività di ordini di grandezza.

Lo zolfo, il non metallo. Lo zolfo è l'unico campione qui che fallisce ogni test. Le sue molecole sono S discrete₈ anelli tenuti insieme da deboli forze di dispersione: nessun elettrone delocalizzato, quindi nessuna conduzione e nessuna lucentezza; nessun reticolo continuo su cui scivolare, quindi si frantuma anziché deformarsi; e nessuna tendenza a cedere elettroni agli ioni idrogeno, quindi nessuna reazione con l’acido.

I migliori conduttori si trovano a sinistra. Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, in questa serie i metalli alcalini e alcalino-terrosi superano i ben noti metalli strutturali. Il calcio raggiunge circa 3,0 × 10⁷ S/m e 201 W/(m·K), superando sia il ferro che il piombo. Non vengono utilizzati come conduttori per un motivo ovvio: si corrodono o reagiscono a contatto con l’aria e l’acqua. L’utilità in ingegneria deriva da una combinazione di proprietà, non da una singola caratteristica.

Reazione con l'acido. Un metallo sottrae idrogeno dall'acido se si trova al di sopra dell'idrogeno nella serie di attività, ovvero se il suo potenziale di riduzione standard è negativo:

M(s) + 2 H⁺(aq) → M²⁺(aq) + H₂g)

Sia lo zinco (E° = −0,76 V) che il ferro (E° = −0,44 V) producono entrambi un flusso costante di bolle di idrogeno. "Lead" è la voce che richiede una precisazione. Il piombo reagisce con l’acido cloridrico — si trova al di sopra dell’idrogeno, con E° = −0,13 V — ma la reazione è molto debole. Il cloruro di piombo(II) che si forma è solo leggermente solubile, circa 10 g/L a temperatura ambiente, quindi si deposita sul metallo quasi immediatamente e sigilla la superficie: compaiono alcune bollicine di idrogeno e la reazione poi si arresta quasi del tutto. Ci si deve aspettare un'effervescenza debole e di breve durata, piuttosto che l'evoluzione costante osservata con lo zinco o il ferro. La tabella riporta "sì" in questo caso, poiché la reazione si verifica effettivamente, ma lo studente dovrebbe notare che si tratta di una reazione debole e spiegarne il motivo.

Reazione con l'acqua. I metalli alcalini e i metalli alcalino-terrosi più pesanti riducono direttamente l'acqua, liberando idrogeno e lasciando in soluzione un idrossido metallico:

2 Li + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g) e Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂g)

Ecco perché il saggio della cartina tornasole fa parte del protocollo e non è un dettaglio trascurato: l'effervescenza indica che si sta producendo idrogeno, e la cartina tornasole dice cosa è rimasto. Ogni elemento che reagisce con l'acqua in questo laboratorio dà una soluzione con un pH superiore a 12: la tornasole rossa diventa blu, la tornasole blu rimane blu. La reattività aumenta scendendo lungo il gruppo 1, poiché l'elettrone più esterno si trova progressivamente più lontano dal nucleo e viene perso più facilmente, quindi il potassio reagisce più vigorosamente del sodio e il sodio più vigorosamente del litio. Il magnesio è l'eccezione negativa in quella colonna: la sua reazione con l'acqua fredda è troppo lenta per essere osservata, sebbene proceda prontamente con il vapore o con l'acido.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: le proprietà che distinguono i metalli, i non metalli e i semimetalli, e un'attenta registrazione delle osservazioni.
• Attività: esegui tutti e sei i test sui dieci elementi e completa la tabella dei risultati; classifica ciascuno dei cinque elementi del primo gruppo come metallo, non metallo o semimetallo e fornisci le prove; usa la cartina di tornasole rossa e blu per dire se ciascuna reazione con l'acqua ha prodotto una base; indica quale singolo test è stato più utile e perché.

Undicesimo anno

• Concentrazione: il legame metallico come spiegazione delle proprietà fisiche, e la serie di attività per quelle chimiche.
• Attività: Conduzione, lucentezza e malleabilità: nei metalli, gli elettroni delocalizzati formano un "mare" di elettroni liberi di muoversi. La conducibilità termica ed elettrica avviene perché questi elettroni trasportano energia cinetica e carica elettrica attraverso il reticolo. La lucentezza è dovuta al fatto che gli elettroni delocalizzati assorbono e riemettono i fotoni della luce. La malleabilità si spiega perché i piani di cationi metallici possono scorrere l'uno sull'altro senza interrompere il forte legame metallico, poiché il mare di elettroni continua a fare da collante. Reazioni dei metalli alcalini (es. sodio, M) con l'acqua e con un acido (es. HCl): Reazione con l'acqua: 2 M (s) + 2 H₂O (l) → 2 MOH (aq) + H₂ (g) Reazione con l'acido: 2 M (s) + 2 HCl (aq) → 2 MCl (aq) + H₂ (g) Perché il silicio conduce il calore ma non l'elettricità: il silicio conduce il calore tramite le vibrazioni reticolari (fononi), che non richiedono elettroni liberi. Tuttavia, è un semiconduttore con una banda proibita energetica; a temperatura ambiente non possiede elettroni liberi a sufficienza per condurre l'elettricità in modo significativo, a meno che non venga fornita energia termica o drogato. Reattività di litio, sodio e potassio (in ordine crescente): Litio < Sodio < Potassio. Giustificazione: scendendo lungo il gruppo, aumenta il raggio atomico e cresce l'effetto di schermo dei gusci elettronici interni. Di conseguenza, l'elettrone di valenza esterno è più lontano dal nucleo e risente di una forza di attrazione minore, rendendo più facile la sua perdita e aumentando la reattività. Perché il magnesio reagisce con l'acido ma non (apparentemente) con l'acqua a freddo: il magnesio reagisce molto lentamente con l'acqua fredda perché sulla sua superficie si forma rapidamente uno strato protettivo e insolubile di ossido di magnesio (MgO). Con l'acido cloridrico, questo strato di ossido viene immediatamente rimosso e dissolvuto, consentendo all'acido di entrare in contatto diretto con il metallo e di reagire vigorosamente sviluppando idrogeno.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: struttura a bande, potenziali di elettrodo e i limiti di una classificazione qualitativa.
• Attività: spiegare la differenza tra un metallo, un semiconduttore e un isolante in termini di banda proibita, e spiegare perché la conducibilità del silicio aumenta con la temperatura mentre quella di un metallo diminuisce; utilizzare i potenziali standard di riduzione per prevedere quali dei dieci elementi dovrebbero reagire con HCl 1 M e confrontare la previsione con le osservazioni; spiegare quantitativamente perché la reazione del piombo si ferma, utilizzando la solubilità del PbCl₂₂; calcolare il pH atteso da una massa dichiarata di litio che reagisce completamente in un volume noto di acqua; identificare quali voci nella tabella cambierebbero se i campioni non fossero abrasi e progettare un test che distinguesse una reazione lenta da nessuna reazione.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Rivelatore di conducibilità elettrica (DCE)
• Pinze
• Carta emery
• Becher da 50 mL ×5
• Becher da 100 mL ×5
• Contagocce
• Cartine al tornasole rossa e blu
• Tabella del pH
• Carta da cucina
• Guanti e protezione per gli occhi

Prodotti

• Acido cloridrico, HCl 1 M (soluzione)
• Acqua distillata
• Zinco (s)
• Zolfo (s)
• Silicio (s)
• Ferro (s)
• Piombo (i)
• Litio (s)
• Sodio (s)
• Potassio (s)
• Magnesio (s)
• Calcio (s)