Alogeni

Figura 1. Gruppo 7 o gruppo 17? A volte è più semplice chiamarli "alogeni". StudySmarter Originals

• Questo articolo è un'introduzione agli alogeni.
• Analizzeremo le proprietà e le caratteristiche degli alogeni prima di dare uno sguardo più approfondito a ciascun elemento.
• Illustreremo poi alcune delle reazioni a cui partecipano ed i loro utilizzi.
• Infine, esploreremo anche come si può verificare la presenza di ioni alogenuri nei composti.

Proprietà degli alogeni

Gli alogeni sono tutti non metalli. Presentano quindi molte delle proprietà tipiche dei non metalli.

• Sono scarsi conduttori di calore ed elettricità.
• Formano ossidi acidi.
• Quando sono solidi, sono opachi e fragili. Inoltre, la loro sublimazione avviene facilmente.
• Hanno punti di fusione e di ebollizione bassi.
• Hanno valori elevati di elettronegatività. ll fluoro è l'elemento più elettronegativo della tavola periodica.
• Formano anioni, cioè ioni con carica negativa. I primi quattro alogeni formano anioni con una carica di -1, il che significa che hanno guadagnato un elettrone.
• Formano anche molecole biatomiche.

Figura 2. Una molecola biatomica, costituita da due atomi di cloro. StudySmarter Originals

Gli ioni formati da atomi alogeno sono chiamati alogenuri. I composti ionici formati da ioni alogenuri sono chiamati sali alogenuri. Ad esempio, il sale cloruro di sodio è composto da ioni sodio positivi e ioni cloruro negativi.

Figura 3. Sinistra: un atomo di cloro. Destra: uno ione cloruro. StudySmarter Originals

Tendenze nelle proprietà

La reattività e l'elettronegatività diminuiscono scendendo nel gruppo, mentre il raggio atomico e i punti di fusione ed ebollizione aumentano. La capacità ossidante diminuisce scendendo nel gruppo, mentre aumenta la capacità riducente.

Gli elementi negli alogeni

All'inizio di questo articolo abbiamo detto che il gruppo degli alogeni contiene sei elementi. I primi quattro elementi sono noti come alogeni stabili. Si tratta di fluoro, cloro, bromo e iodio. Il quinto elemento è l'astatina, un elemento estremamente radioattivo. Il sesto è l'elemento artificiale tennessina, e scoprirai perché alcuni non lo includono nel gruppo più avanti. Vediamo ora gli elementi singolarmente, a partire dal fluoro.

Fluoro

Il fluoro è l'elemento più piccolo e leggero del gruppo. Ha numero atomico 9 ed è un gas giallo pallido a temperatura ambiente.

Il fluoro è l'elemento più elettronegativo della tavola periodica. Questo lo rende anche uno degli elementi più reattivi perché è anche un atomo molto piccolo. Gli alogeni tendono a reagire guadagnando un elettrone per formare uno ione negativo. Gli elettroni in arrivo sentono una forte attrazione verso il nucleo del fluoro per le sue piccole dimensioni. Ciò significa che il fluoro reagisce facilmente. Infatti, il fluoro forma composti con quasi tutti gli altri elementi. Può persino reagire con il vetro! Viene conservato in contenitori speciali utilizzando metalli come il rame, che formano uno strato protettivo di fluoro sulla loro superficie.

Il nome del fluoro deriva dal verbo latino fluo-, che significa "fluire", il che riflette le sue origini. Il fluoro veniva originariamente utilizzato per abbassare il punto di fusione dei metalli per la fusione. Nel 1900 è stato utilizzato nei frigoriferi sotto forma di CFC, o clorofluorocarburi, oggi vietati a causa del loro effetto nocivo sullo strato di ozono. Oggi il fluoro viene aggiunto ai dentifrici e fa parte del Teflon™.

Figura 4. Fluoro liquido in un bagno criogenico.Fonte: commons.wikimedia.org

Cloro

Il cloro è l'elemento più piccolo tra gli alogeni. Ha un numero atomico di 17 ed è un gas verde a temperatura ambiente. Il suo nome deriva dalla parola greca chloros, che significa "verde".

Il cloro ha un'elettronegatività piuttosto elevata, dietro solo all'ossigeno e al suo cugino stretto, il fluoro. È inoltre estremamente reattivo e non si trova mai in natura allo stato elementare.

Come abbiamo già detto, i punti di fusione e di ebollizione aumentano man mano che si scende nel gruppo della tavola periodica. Ciò significa che il cloro ha punti di fusione e di ebollizione più alti del fluoro. Tuttavia, ha un'elettronegatività, una reattività e un'energia di prima ionizzazione inferiori.

Il cloro viene utilizzato per una vasta gamma di scopi, dalla produzione di materie plastiche alla disinfezione delle piscine. Tuttavia, non è solo un elemento convenientemente utile. È essenziale per la vita di tutte le specie conosciute anche se una quantità eccessiva può essere dannosa. Il cloro gassoso è altamente tossico ed è stato usato per la prima volta come arma nella Prima Guerra Mondiale.

Figura 5. Una bottiglia di cloro gassoso. Fonte: commons.wikimedia.org

Bromo

Il prossimo elemento è il bromo. Il bromo è un liquido rosso scuro a temperatura ambiente e ha un numero atomico pari a 35.

Come il fluoro e il cloro, il bromo non si trova liberamente in natura, ma forma altri composti. Tra questi vi sono gli organobromuri, comunemente utilizzati come ritardanti di fiamma. Oltre la metà del bromo prodotto ogni anno a livello globale viene utilizzato in questo modo. Come il cloro, il bromo può essere utilizzato come disinfettante. Tuttavia, il cloro è preferito a causa del costo più elevato del bromo.

Figura 6. Una bottiglia di liquido di bromo.Fonte: commons.wikimedia.org

Iodio

Lo iodio è il più pesante degli alogeni stabili, con un numero atomico di 53. È un solido grigio-nero a temperatura ambiente e si scioglie in un liquido viola. Il suo nome deriva dal greco iodes, che significa "viola".

Le tendenze delineate in precedenza nell'articolo continuano quando si scende nella tavola periodica fino allo iodio. Ad esempio, lo iodio ha un punto di ebollizione più alto del fluoro, del cloro e del bromo, ma un'elettronegatività, una reattività e un'energia di prima ionizzazione inferiori. Tuttavia, è un miglior agente riducente.

Figura 7. Un campione di iodio solido. Fonte: commons.wikimedia.org

Astatina

Passiamo ora all'astatina. Qui le cose iniziano a farsi un po' più interessanti.

L'astatina ha un numero atomico di 85. È l'elemento più raro presente in natura sulla crosta terrestre, e si trova per lo più come residuo del decadimento di altri elementi. È piuttosto radioattivo: il suo isotopo più stabile ha un tempo di dimezzamento di poco più di otto ore!

Un campione di astatina pura non è mai stato isolato con successo perché si vaporizzerebbe immediatamente sotto il calore della sua stessa radioattività. Per questo motivo, gli scienziati hanno dovuto fare delle ipotesi sulla maggior parte delle sue proprietà. Hanno previsto che segua le tendenze mostrate dal resto del gruppo, attribuendogli un'elettronegatività e una reattività inferiori a quelle dello iodio, ma punti di fusione e di ebollizione più elevati. Tuttavia, l'astatina mostra anche alcune proprietà uniche. Si trova all'interfaccia tra metalli e non metalli e questo ha portato a un dibattito sulle sue caratteristiche.

Ad esempio, gli alogeni diventano progressivamente più scuri man mano che si scende nel gruppo: il fluoro è un gas chiaro, mentre lo iodio è un solido grigio. Alcuni chimici ipotizzano quindi che l'astatina sia di colore grigio-nero scuro. Altri invece la considerano più un metallo e ritengono che sia lucida, brillante e un semiconduttore. Nei composti, a volte l'astatina si comporta un po' come lo iodio e a volte come l'argento. Per tutti questi motivi, viene spesso messa da parte quando si parla di alogeni.

Figura 8. La configurazione elettronica dell'astatina. Fonte: commons.wikimedia.org

Tennessina

La tennessina è l'ultimo elemento degli alogeni, ma alcuni non la considerano affatto un elemento vero e proprio. La tennessina ha un numero atomico 117 ed è un elemento artificiale, cioè si crea solo facendo collidere due nuclei più piccoli. In questo modo si forma un nucleo più pesante che dura solo pochi millisecondi. Ancora una volta, questo lo rende un po' complicato da capire!

I chimici ritengono che la tennessina abbia un punto di ebollizione più alto rispetto agli altri alogeni, seguendo la tendenza osservata nel resto del gruppo, ma che non formi anioni negativi. Molti la considerano una sorta di metallo post-transizione anziché un vero non metallo. Per questo motivo, spesso si esclude la tennessina dal gruppo 7.

Figura 9. La configurazione elettronica della tennessina. Fonte:commons.wikimedia.org

Reazioni del gruppo 7

Gli alogeni partecipano a diversi tipi di reazione, in particolare il fluoro, che è uno degli elementi più reattivi della tavola periodica. Ricorda che la reattività diminuisce man mano che si scende nel gruppo.

Gli alogeni possono svolgere le seguenti funzioni:

• Sostituire altri alogeni. Un alogeno più reattivo spazza via un alogeno meno reattivo da una soluzione acquosa, il che significa che l'alogeno più reattivo forma ioni e l'alogeno meno reattivo viene prodotto nella sua forma elementare. Ad esempio, il cloro spazza via gli ioni ioduro per formare ioni cloruro e un solido grigio, lo iodio.
• Reagire con l'idrogeno. Si forma un alogenuro di idrogeno.
• Reagire con i metalli. Si forma un sale di alogenuro metallico.
• Reagire con l'idrossido di sodio. Questo è un esempio di reazione di sproporzione. Ad esempio, la reazione del cloro con l'idrossido di sodio produce cloruro di sodio, clorato di sodio e acqua.
• Reagire con alcani, benzene e altre molecole organiche. Ad esempio, facendo reagire il cloro gassoso con l'etano in una reazione di sostituzione radicalica libera, si ottiene il cloroetano.

Ecco l'equazione della reazione di spostamento tra ioni cloro e ioduro:

${\mathrm{Cl}}_2+2{\mathrm{I}}^{-}\to 2{\mathrm{Cl}}^{-}+{\mathrm{I}}_2$

Gli ioni alogenuri possono reagire anche con altre sostanze. Possono:

• Reagire con l'acido solforico per formare una serie di prodotti.
• Reagire con la soluzione di nitrato d'argento per formare sali d'argento insolubili. Questo è un modo per testare gli alogenuri, come si vedrà di seguito.
• Nel caso degli alogenuri di idrogeno, si dissolvono in soluzione per formare acidi. Il cloruro di idrogeno, il bromuro e lo ioduro formano acidi forti, mentre il fluoruro di idrogeno forma un acido debole.

Analisi degli alogenuri

Per verificare la presenza di alogenuri, possiamo eseguire una semplice reazione in provetta.

1. Sciogliere un composto alogenuro in soluzione.
2. Aggiungere alcune gocce di acido nitrico. Questo reagisce con eventuali impurità che potrebbero dare un risultato falso-positivo.
3. Aggiungere alcune gocce di soluzione di nitrato d'argento e annotare le osservazioni.
4. Per testare ulteriormente il composto, aggiungere una soluzione di ammoniaca. Anche in questo caso, annota le osservazioni.

Con un po' di fortuna si dovrebbero ottenere risultati simili a quelli che seguono:

Il test funziona perché aggiungendo nitrato d'argento a una soluzione acquosa di ioni alogenuro si forma un alogenuro d'argento. Il cloruro d'argento, il bromuro e lo ioduro sono insolubili in acqua e parzialmente solubili se si aggiungono diverse concentrazioni di ammoniaca. Questo ci permette di distinguerli.

Uso degli alogeni

Gli alogeni hanno una miriade di usi diversi nella vita quotidiana. Ne abbiamo già visti alcuni, ma altri esempi sono:

• Il fluoro è uno ione essenziale per la salute degli animali e aiuta a rafforzare denti e ossa. A volte viene aggiunto all'acqua potabile e si trova comunemente nel dentifricio. Il più grande uso industriale del fluoro è nell'industria dell'energia nucleare, dove viene utilizzato per fluorizzare il tetrafluoruro di uranio, ${\mathrm{UF}}_6$.
• La maggior parte del cloro viene utilizzata per produrre altri composti. Ad esempio, l'1,2-dicloroetano viene utilizzato per produrre la plastica PVC. Il cloro svolge anche un ruolo importante nella disinfezione e nell'igiene.
• Il bromo è utilizzato come ritardante di fiamma e in alcune materie plastiche.
• I composti dello iodio sono utilizzati come catalizzatori, coloranti e integratori alimentari.