Gruppo11Periodo429Cu547Ag679Au7111Rg

Gli elementi del gruppo 11 sono: rame (Cu), argento (Ag), oro (Au) e roentgenio (Rg). Il gruppo 11 fa parte del blocco d della tavola periodica e i suoi componenti sono metalli di transizione. Il roentgenio è un elemento artificiale radioattivo; ne sono stati prodotti solo pochi atomi e le sue proprietà chimiche sono poco note. Nella nomenclatura precedente questo gruppo era denominato IB. I metalli del gruppo 11 sono conosciuti anche come metalli da conio, riferendosi a utilizzi tradizionali di rame, argento e oro, ma tale denominazione non è riconosciuta dalla IUPAC. Tradizionalmente, argento e oro sono considerati metalli nobili perché anche a caldo non sono ossidati all'aria. A temperatura ambiente questi elementi sono tutti solidi; il colore rosso per il numero atomico indica che l'elemento è sintetico e non si trova in natura.

Legenda dei colori della tabella a destra: Metalli di transizione

Fonti Rame, argento e oro sono reperibili in natura in forma nativa, e sono quindi tra i primi metalli ad essere stati conosciuti e utilizzati dall'uomo. Il rame è poco comune sulla crosta terrestre, essendo il ventiseiesimo elemento per abbondanza, ma si ricava con facilità da miniere a cielo aperto, dove il minerale più comune è la calcopirite (CuFeS2). Altri minerali importanti sono cuprite (Cu2O), malachite (Cu(OH)2·CuCO3), e azzurrite (Cu(OH)2·2CuCO3). La produzione annuale di rame assomma a circa 16 milioni di tonnellate. Argento e oro sono molto più rari del rame. L'argento è il sessantaseiesimo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre. I minerali di maggior importanza economica per l'estrazione dell'argento sono acantite (Ag2S) e stephanite (Ag5SbS4), ma la maggior parte dell'argento si ottiene come sottoprodotto della raffinazione di rame e altri metalli. Annualmente si producono circa 20.000 tonnellate di argento. L'oro è il settantacinquesimo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre, dove si trova soprattutto in forma metallica, disperso in minerali come quarzo e pirite. Si producono più di 100 tonnellate di oro all'anno, ottenute principalmente come sottoprodotto della raffinazione di zinco e rame.

Tossicità e ruolo biologico Il rame è essenziale per tutti gli esseri viventi. È contenuto in più di dieci enzimi, alcuni dei quali sono citocromo-c ossidasi, superossido dismutasi e tirosinasi. Una dieta normale può arrivare a di rame al giorno, e un corpo umano ne contiene circa . Troppo rame è invece tossico, ma fortunatamente l'ingestione di quantità eccessive di rame provoca vomito, limitando la possibilità di effetti acuti. Argento e oro non hanno ruoli biologici. Un corpo umano contiene circa di argento e meno di di oro. L'argento è presente in piccola quantità in molti cibi, tanto che una dieta normale può arrivare anche a al giorno. Quantità così piccole non creano problemi per la salute, dato che l'argento solo se ingerito in grande quantità può provocare argiria. Lo ione Ag+ è invece tossico per batteri e virus. L'oro e i suoi composti sono considerati poco tossici e sono usati anche in medicina.

Applicazioni Il rame è usato principalmente per la sua elevata conducibilità termica ed elettrica. Circa il 60% del rame prodotto è impiegato in apparecchiature elettriche. Il rimanente è usato in primo luogo in edilizia (tetti e tubazioni), in scambiatori di calore e in molte leghe (bronzo, ottone, cupronichel e altre). L'argento è il miglior conduttore termico ed elettrico, nonché il metallo più lucente. Viene usato in apparecchiature elettroniche, gioielleria, specchi, trofei, stoviglie e posate. Nel passato è stato importante nella monetazione, ora limitata a medaglie commemorative. L'uso in fotografia si è notevolmente ridotto con l'introduzione delle tecniche digitali. L'argento ha inoltre innumerevoli usi minori tra i quali batterie, amalgami dentali, sterilizzazione da batteri e virus. Circa i tre quarti dell'oro prodotto è usato in gioielleria, ottenendo varie colorazioni con l'aggiunta di altri metalli in lega. L'oro ha svariati altri utilizzi, tra i quali lingotti, vetri per riflettere la radiazione solare, dispositivi elettronici per rendere inossidabili i contatti elettrici, catalizzatori nell'industria chimica. Monetazione Rame, argento e oro sono metalli teneri che possono venire facilmente intaccati nel maneggio quotidiano delle monete: perciò nell'uso numismatico devono essere legati con altri metalli per ottenere un materiale più duro e resistente all'usura. Le monete d'oro contengono in genere o il 90% di oro (come i conii statunitensi pre-1933) o 22 carati (91.6%) d'oro (come le normali monete da collezione e i Krugerrand), con rame e argento a costituire il peso restante in entrambi i casi. Le monete d'argento contengono in genere il 90% di argento - nel caso di monete coniate negli Stati Uniti prima del 1965, che circolarono in molti paesi) oppure sono monete di argento sterling (92,5%) per i conii del Commonwealth britannico pre-1967 e altre monete d'argento, con rame a costituire il peso restante. Le monete di rame sono spesso di rame molto puro, circa il 97%, e sono di solito legate con piccole quantità di zinco e stagno. La nascita e l'affermazione delle banconote ha causato la diminuzione del valore nominale delle monete metalliche fino al disotto del valore di mercato del metallo usato per coniarle: questo ha portato le monete metalliche moderne ad essere coniate con leghe di metalli poveri, come il Cupronichel (rame 80%, nichel 20%, color argenteo, molto usato), il nichel-ottone (rame 75%, nichel 5%, zinco 20%, di color oro), il manganese-ottone (rame, zinco, manganese, nichel), il bronzo o il semplice acciaio placcato.

Proprietà degli elementi

L’oro ha un solo isotopo naturale, e quindi il suo peso atomico è noto con molta accuratezza. Rame e argento hanno invece due isotopi stabili, e nel caso del rame sono distribuiti con una certa variabilità; di conseguenza il peso atomico del rame è noto con meno cifre significative. L’oro è il più elettronegativo dei metalli: il suo valore di 2,54 è quasi uguale a quello del carbonio (2,55) e non è distante da quello dello iodio (2,66). Non è quindi così strano che l’oro possa formare anche anioni, come succede nell'aururo di cesio (CsAu), che è un composto ionico: allo stato solido è un semiconduttore di colore giallo, privo di lucentezza metallica e non ha conducibilità metallica. Gli elementi di questo gruppo possono essere ottenuti molto puri; ciononostante, le loro proprietà fisiche sono note con valori un po’ variabili, perché dipendono dal modo in cui sono stati preparati i metalli. Hanno un aspetto tipico con lucentezza metallica e colori caratteristici. I punti di fusione e di ebollizione continuano regolarmente a calare rispetto ai gruppi precedenti; continua quindi a indebolirsi la forza del legame metallico. Gli elementi del gruppo 11 sono metalli teneri, molto duttili e malleabili. L’elemento più duttile e malleabile è l’oro: da 1,0 g d’oro si ottiene un foglio di circa , corrispondente ad uno strato di soli 230 atomi. Dallo stesso grammo di oro si fanno 165 m di filo del diametro di . I tre metalli hanno anche conducibilità termica ed elettrica elevatissima, massime per l’argento; queste proprietà sono attribuite alla configurazione elettronica d10s1, dove c'è un elettrone spaiato al di fuori del sottolivello d completo.

+ Tabella 1. Alcune proprietà degli elementi del gruppo 11ProprietàRameArgentoOro Peso atomico (u) 63,546 107,8682 196,96655 Configurazione elettronica [Ar] 3d10 4s1 [Kr] 4d10 5s1 [Xe] 4f14 5d10 6s1 Punto di fusione (°C) 1083 961 1064 Punto di ebollizione (°C) 2570 2155 2808 Densità (g/cm³a 25 °C) 8,95 10,49 19,32 Raggio metallico (pm) 128 144 144 Raggio ionico M(I) (pm) 77 115 137 Elettronegatività (Pauling) 1,9 1,9 2,4 Entalpia di fusione (kJ·mol−1) 13,0 11,1 12,8 Entalpia di vaporizzazione (kJ·mol−1) 307 258 343 Entalpia di atomizzazione (kJ·mol−1) 337 284 379 Resistività elettrica a 20 °C (Ω·m·108) 1,67 1,59 2,35

Reattività chimica e andamenti nel gruppo Gli elementi del gruppo 11 sono caratterizzati dall’avere un singolo elettrone s (configurazione elettronica d10s1), come i metalli alcalini (configurazione p6s1), e quindi ci si aspetterebbero proprietà in qualche modo simili. In pratica, le analogie si limitano all’esistenza di uno stato di ossidazione +1, mentre le proprietà chimiche sono diversissime. Va infatti considerato che un livello d pieno scherma l’elettrone esterno molto meno di quanto schermi un livello p pieno. Di conseguenza, rispetto ai metalli alcalini, nel gruppo 11 si ha che: l’elettrone s è più legato al nucleo e l’energia di prima ionizzazione è molto più elevata; i raggi ionici sono molto minori del corrispondente metallo alcalino. K+, Rb+ e Cs+ hanno raggi ionici di 138, 152 e 167 pm, mentre Cu+, Ag+ e Au+ hanno raggi ionici di 77, 115 e 137 pm; il punto di fusione è più elevato; gli elementi del gruppo 11 sono più duri e più densi; la reattività è minore e i composti sono più covalenti. Mentre i metalli alcalini sono i più riducenti nella serie elettrochimica, con potenziali più negativi di –2,7 V, i metalli del gruppo 11 stanno vicini all’altra estremità della scala: i potenziali di riduzione M+/M sono +0,52, +0,80 e +1,69 V rispettivamente per rame, argento e oro. D’altra parte, un livello d pieno può essere intaccato più facilmente di un livello p pieno. Di conseguenza, il secondo e terzo potenziale di ionizzazione è minore nei metalli del gruppo 11 rispetto ai metalli alcalini, per cui rame, argento e oro possono accedere a stati di ossidazione maggiori di +1. In breve, tutte queste differenze sono dovute al fatto che gli elementi del gruppo 11 sono a tutti gli effetti metalli di transizione, mentre non lo sono i metalli alcalini.

Come metalli, gli elementi del gruppo 11 formano con molti altri metalli un gran numero di leghe, che sono state e sono importanti dal punto di vista tecnologico. La reattività di Cu, Ag e Au cala scendendo lungo il gruppo, come prevedibile dati i valori già citati dei potenziali di riduzione; l’inerzia dell’oro lo accomuna ai metalli del gruppo del platino. Tutti e tre i metalli sono stabili in aria secca a temperatura ambiente. In presenza di umidità il rame viene invece ossidato lentamente in superficie, formando la tipica patina verderame, che è un carbonato basico di rame CuCO3·Cu(OH)2. Al calor rosso il rame è ossidato anche in aria secca e si forma l’ossido, Cu2O. Il rame è attaccato anche da zolfo e alogeni. L’argento è sensibile allo zolfo e ai suoi composti, e annerisce in modo caratteristico reagendo con tracce di H2S presenti nell’aria, per dare il solfuro d'argento (Ag2S) di colore nero:

2Ag \,+\, H2S \to Ag2S \,+\, H2

In condizioni analoghe il rame forma un solfato basico di colore verde. L’oro invece non reagisce con lo zolfo. In generale la reattività di questi metalli è facilitata in presenza di ossidanti, e quindi in assenza di aria non si sciolgono in acidi diluiti. Rame e argento si sciolgono però in acido solforico (H2SO4) concentrato a caldo e con acido nitrico (HNO3) anche diluito:

Cu \,+\,2H2SO4_{(conc. bollente)} \to CuSO4 \,+\, 2H2O \,+\, SO2

Ag \,+\, 2HNO3 \to AgNO3 \,+\, NO2 \,+\, H2O

L'oro si scioglie solo se sono presenti contemporaneamente un forte ossidante e un buon complessante; normalmente si utilizza acqua regia, miscela 3:1 di acido cloridrico (HCl) e acido nitrico concentrati:

Au \,+\, 3HNO3 \,+\, 4HCl \to HAuCl4 \,+\, 3NO2 \,+\, 3H2O

In questo gruppo continua a ridursi il numero di stati di ossidazione ottenibili, a conseguenza della progressiva stabilizzazione degli orbitali d alla fine della serie di transizione. In soluzione acquosa gli stati di ossidazione più comuni sono +2 per il rame (Cu+ è instabile), +1 per l'argento e +3 per l'oro. È quindi rispettato l’andamento usuale con una maggior stabilità degli stati di ossidazione più alti scendendo lungo un gruppo.