In che modo gli elettroni di valenza di un elemento si relazionano al suo gruppo nella tavola periodica?

Nel 1869 Dmitri Mendeleev pubblicò un articolo intitolato "Sulla relazione delle proprietà degli elementi con i loro pesi atomici". In quel giornale lui ha prodotto una disposizione ordinata degli elementi, elencandoli in ordine crescente di peso e disponendoli in gruppi basati su sostanze chimiche simili proprietà. Sebbene rimanessero molti decenni prima che venissero scoperti i dettagli della struttura atomica, la tavola di Mendeleev già organizzava gli elementi in termini di valenza.

Ai tempi di Mendeleev si pensava che gli atomi fossero entità indivisibili e uniche. Alcuni erano più pesanti di altri e sembrava ragionevole ordinare gli elementi aumentandone il peso. Ci sono due problemi con questo approccio. Primo, misurare il peso è un compito difficile e molti dei pesi accettati ai tempi di Mendeleev non erano corretti. In secondo luogo, risulta che il peso atomico non è realmente il parametro rilevante. Le tavole periodiche odierne ordinano gli elementi in base al loro numero atomico, che è il numero di protoni nel nucleo. Al tempo di Mendeleev, i protoni non erano ancora stati scoperti.

Mendeleev scrisse che "la disposizione secondo il peso atomico corrisponde alla valenza dell'elemento e in una certa misura alla differenza nel comportamento chimico." La valenza, nella comprensione di Mendeleev, era un'indicazione della capacità di un elemento di combinarsi con altri elementi. Mendeleev combinò l'ordine del peso atomico con le valenze comuni per organizzare gli elementi in una tabella. Cioè, ha organizzato gli elementi in gruppi secondo le loro caratteristiche chimiche. Poiché quelle proprietà si ripetono di tanto in tanto, il risultato è stato una tavola periodica in cui ogni colonna verticale, chiamata gruppo, contiene elementi con caratteristiche simili, e ogni riga orizzontale, detta punto, dispone gli elementi in base al peso, crescendo da sinistra a destra e dall'alto a parte inferiore.

Circa 50 anni dopo la prima tavola periodica di Mendeleev, gli scienziati hanno scoperto che l'atomo era stato costruito attorno a un nucleo con protoni carichi positivamente e neutroni neutri, entrambi relativamente pesante. Il nucleo con carica positiva è circondato da una nuvola di elettroni con carica negativa. Il numero di protoni, chiamato anche numero atomico, in genere corrisponde al numero di elettroni. Si scopre che il numero di elettroni che un elemento ha determina in gran parte le sue proprietà chimiche. Quindi l'ordine corretto nella tavola periodica è determinato dal numero di elettroni, non dal peso come proposto originariamente da Mendeleev.

Gli elettroni nella nuvola che circonda il nucleo di un elemento sono disposti in strati, chiamati gusci. Ogni guscio ha un numero specifico di elettroni che può contenere. Quando ogni guscio viene riempito, viene aggiunto un nuovo guscio fino a quando tutti gli elettroni sono stati presi in considerazione. Gli elettroni nel guscio più esterno sono chiamati elettroni di valenza, perché sono le loro interazioni che determinano le proprietà chimiche di un elemento. Le colonne che sono state impostate per raggruppare elementi con proprietà chimiche simili risultano essere esattamente le stesse colonne definite dal numero di elettroni di valenza. Gli elementi del gruppo 1A hanno un solo elettrone di valenza e ogni colonna del gruppo A a destra aggiunge un altro elettrone di valenza. L'organizzazione diventa un po' torbida con gli elementi del gruppo B, ma ognuno di essi è anche raggruppato in base al numero di elettroni di valenza.