I gruppi principali sono le famiglie di elementi della tavola periodica appartenenti ai blocchi s e p. Comprendono i gruppi 1, 2 e 13-18, cioè gli elementi in cui la chimica è governata soprattutto dagli elettroni di valenza negli orbitali s e p.
La loro importanza didattica e tecnica nasce da un fatto semplice: per molti elementi dei gruppi principali il numero di elettroni di valenza si ricava direttamente dal gruppo. Questo rende più prevedibili formule, stati di ossidazione, strutture di Lewis, geometrie molecolari, acidità, basicità e reattività redox.
Configurazione esterna
Gli elementi dei gruppi principali hanno configurazioni esterne regolari:
| Gruppo | Famiglia | Configurazione esterna tipica | Stato frequente |
|---|---|---|---|
| 1 | metalli alcalini | ns^1 | +1 |
| 2 | metalli alcalino-terrosi | ns^2 | +2 |
| 13 | gruppo del boro | ns^2np^1 | +3, anche +1 |
| 14 | gruppo del carbonio | ns^2np^2 | +4, +2 |
| 15 | gruppo dell’azoto | ns^2np^3 | -3, +3, +5 |
| 16 | calcogeni | ns^2np^4 | -2, +4, +6 |
| 17 | alogeni | ns^2np^5 | -1, positivi con O/F |
| 18 | gas nobili | ns^2np^6 | 0, rari positivi |
L’elio è un caso particolare: ha configurazione 1s^2, quindi appartiene al blocco s dal punto di vista orbitale, ma viene collocato nel gruppo 18 perché è chimicamente un gas nobile.
Anche l’idrogeno è particolare. Ha configurazione 1s^1 e può ricordare i metalli alcalini, ma non è un metallo alcalino: forma legami covalenti, ioni H^+ in contesti acido-base e idruri H^- con metalli molto elettropositivi.
Blocco s
Il blocco s comprende metalli alcalini e metalli alcalino-terrosi, oltre a idrogeno ed elio come casi speciali. I metalli alcalini tendono a perdere un elettrone formando cationi monovalenti:
Sono molto reattivi, riducenti e formano sali ionici con anioni come alogenuri, ossidi e idrossidi. La reattività aumenta scendendo lungo il gruppo, perché l’elettrone esterno è mediamente più lontano dal nucleo ed è rimosso più facilmente.
Gli alcalino-terrosi perdono più spesso due elettroni:
Sono in genere meno reattivi degli alcalini, ma molto importanti in materiali, acqua, cementi, leghe leggere, biologia e geochimica. Calcio e magnesio, per esempio, compaiono in durezza dell’acqua, carbonati, biominerali e processi industriali.
Blocco p
| Gruppo | Configurazione | Stati frequenti | Carattere |
|---|---|---|---|
| 13 | ns^2np^1 | +3, anche +1 | acidi di Lewis |
| 14 | ns^2np^2 | +4, +2 | reti covalenti, semiconduttori |
| 15 | ns^2np^3 | -3, +3, +5 | azoto, fosforo, ossiacidi |
| 16 | ns^2np^4 | -2, +4, +6 | ossidi e solfuri |
| 17 | ns^2np^5 | -1, positivi con O/F | alogeni ossidanti |
| 18 | ns^2np^6 | 0, rari positivi | gas nobili |
Nel blocco p la varietà chimica è maggiore. Il boro è elettron-deficiente e forma acidi di Lewis; carbonio e silicio formano reti covalenti e materiali fondamentali; azoto e fosforo dominano fertilizzanti, acidi minerali e composti biologici; ossigeno e zolfo formano ossidi, solfuri e composti acido-base; gli alogeni sono ossidanti e formano alogenuri; i gas nobili sono poco reattivi, ma xenon e kripton hanno composti noti in condizioni opportune.
Scendendo nei gruppi 13-16 diventa importante l’effetto della coppia inerte: gli elettroni ns^2 partecipano meno facilmente al legame negli elementi pesanti. Per questo stati di ossidazione inferiori, come +1 nel tallio o +2 nel piombo, diventano più stabili rispetto agli stati massimi attesi dalla semplice conta degli elettroni di valenza.
Tendenze periodiche
Nei gruppi principali si osservano tendenze regolari:
- il raggio atomico aumenta scendendo lungo un gruppo;
- energia di ionizzazione ed elettronegatività tendono a diminuire scendendo;
- il carattere metallico aumenta verso sinistra e verso il basso;
- la reattività dei metalli alcalini cresce scendendo nel gruppo;
- il potere ossidante degli alogeni tende a diminuire scendendo nel gruppo;
- ossidi e idrossidi passano da carattere basico a carattere acido muovendosi da sinistra a destra.
Queste regolarità non sono regole meccaniche assolute, ma guide per prevedere formule e reazioni. Dimensione ionica, polarizzabilità, energia reticolare, solvatazione e cinetica possono modificare il comportamento osservato.
Relazione con legame e materiali
La chimica dei gruppi principali copre sia composti ionici sia molecole covalenti e solidi di rete. Sodio cloruro, ossido di magnesio, biossido di carbonio, silice, ammoniaca, acido solforico, fluoruri, semiconduttori al silicio e vetri borosilicati appartengono tutti, in modi diversi, alla chimica dei gruppi principali.
In ingegneria dei materiali, questi elementi determinano ceramiche, vetri, semiconduttori, elettroliti, sali fusi, batterie, fertilizzanti, refrattari e additivi. La posizione nella tavola aiuta a scegliere droganti, prevedere valenze, controllare difetti cristallini e interpretare proprietà elettriche o ottiche.
Errori comuni
Il primo errore è pensare che “gruppi principali” significhi solo blocco p. Anche gruppi 1 e 2 appartengono ai gruppi principali.
Il secondo errore è collocare idrogeno ed elio usando solo la configurazione elettronica senza considerare il comportamento chimico.
Il terzo errore è usare la regola dell’ottetto come legge universale. Funziona bene per molti elementi leggeri dei gruppi principali, ma ha eccezioni: specie elettron-deficienti, espansione dell’ottetto, radicali, composti ipervalenti e gas nobili pesanti.
Il quarto errore è prevedere stati di ossidazione solo contando gli elettroni esterni. Negli elementi pesanti, effetto della coppia inerte, energia reticolare e ambiente chimico possono rendere stabili stati inattesi.
Vedi anche: tavola periodica, configurazione elettronica, metalli alcalini, metalli alcalino-terrosi, metalli di transizione, legame chimico, struttura di Lewis, chimica inorganica.