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1 5 GLI ISOTOPI Le proprietà di un elemento non dipendono dal numero di massa, ma dal numero atomico; infatti è sufficiente il numero dei protoni a caratterizzare un atomo, in quanto esso condiziona un uguale numero di elettroni. Il numero di neutroni non ha nessuna influenza sulle proprietà chimiche dell atomo; esso fa sentire la propria influenza solo agli effetti della massa totale degli atomi (e quindi sulle proprietà fisiche). Esistono atomi aventi numero di massa diverso, cioè diverso numero di neutroni, e stesso numero atomico, e perciò le stesse proprietà chimiche: tali atomi sono detti isotopi. Nella maggior parte dei casi, un elemento è, in natura, un miscuglio di isotopi, perciò la massa totale dell elemento risulta una media proporzionale dei pesi dei rispettivi isotopi. Per fare un esempio, il carbonio ha peso atomico 12,01 in quanto è prevalentemente un miscuglio di isotopi con massa 12 (il 98,9%) e con peso 13 (l 1,1%); pertanto il suo peso atomico è data dalla media: (98,9x12) + (1,1x13) = 12, Da quest esempio dovrebbe risultare chiaro il motivo per cui i pesi atomici degli elementi non sono numeri interi. Esistono atomi che pur avendo lo stesso peso atomico, hanno diverso numero atomico e quindi sono diversi; infatti hanno un diverso simbolo chimico. Due atomi che hanno lo stesso peso atomico, ma diverso numero atomico, e quindi diverse proprietà chimiche e fisiche, si chiamano isobari. Ricapitolando: due isotopi hanno lo stesso numero atomico e le stesse proprietà chimiche, ma hanno un diverso peso atomico; due isobari hanno lo stesso peso atomico, ma un diverso numero atomico e quindi diverse proprietà chimiche. Esercizio 1 : Un campione di boro contiene l 80% dell isotopo con massa 11 e il 20% dell isotopo con massa 10. Calcolare il peso atomico del boro di questo campione. Esercizio 2 : Un campione di calcio contiene il 40% dell isotopo con massa 42, il 25% dell isotopo con massa 40 e il 35% dell isotopo con massa 46. Calcolare il peso atomico del calcio in questo campione.

2 6 LA MASSA MOLECOLARE, GRAMMO-ATOMO E GRAMMO-MOLECOLA Sappiamo già che le molecole sono aggregati di atomi di uno stesso elemento o di elementi diversi; il peso molecolare (o, più correttamente, massa molecolare) è evidentemente dato dalla somma delle masse atomiche di tutti gli elementi che formano la molecola. Essendo la massa atomica un peso relativo, non assoluto, lo stesso sarà per la massa molecolare. Facciamo un esempio: una molecola d acqua (H2O), è formata da due atomi di idrogeno (H) e da uno di ossigeno (O). la massa atomica dell idrogeno è = 1 la massa atomica dell ossigeno è = 16 per cui, la massa molecolare dell acqua è uguale alla,massa atomica dell idrogeno (moltiplicato per due, essendo due gli atomi di questo elemento presenti in una molecola) più la massa atomica dell ossigeno: = (1x2) + 16 = 18 U.M.A. Il grammo-atomo è la quantità in peso, espressa in grammi, corrispondente alla massa atomica. La massa atomica dell ossigeno è 16 U.M.A.; un grammo-atomo di ossigeno equivale a 16 grammi di ossigeno. (N.B. oramai il termine grammo atomo è sempre più sostituito da quello di mole, usato indifferentemente per atomi e per molecole) La grammo-molecola, detta più comunemente mole, è la quantità in peso, espressa in grammi, corrispondente al peso molecolare. Così, prendendo l esempio di prima, se una molecola di acqua è 18 U.M.A., una grammo-molecola (o mole ) di acqua è 18 grammi di acqua. Ma se è possibile risalire alla massa molecolare di un composto e, di conseguenza conoscere a quanto corrisponde una mole, possiamo calcolare quante moli sono presenti in una determinata quantità di quella sostanza. Facciamo un esempio: vogliamo sapere quante moli di acqua sono contenute in 1 Kg di acqua pura; (procedimento) : la massa molecolare (m.m) dell H2O è = (2X1) + 16 = 18 U.M.A. 1 mole di H2O = 18 grammi grammi = moli? = = 55,5 moli 18 altro esempio: quante moli di sale da cucina sono contenute in 1 Kg di sale da cucina puro? (NaCl). (procedimento) : m.m. NaCl = 22, ,45 = 58,44 U.M.A. 1 mole di NaCl = 58,44 grammi grammi = moli? = = 17,11 moli 58,44

3 6.1 IL NUMERO DI AVOGADRO Esperienze piuttosto complesse hanno permesso al chimico Amedeo Avogadro di calcolare il numero di molecole contenute in una mole di qualsiasi sostanza: - in una mole di qualsiasi composto sono presenti sempre 6,023 x molecole di composto - in un grammo-atomo di qualsiasi elemento ci sono sempre 6,023 x atomi di quell elemento. Come si vede si tratta di un numero grandissimo, chiamato, per l appunto: numero di Avogadro. Se una mole di acqua (H2O) pesa 18 grammi posso, dunque, dire che: in 18 grammi di acqua sono presenti 6,023 x molecole di acqua. Posso anche dire che in 18 grammi di acqua è presente un numero di Avogadro di molecole di acqua. Domande di verifica 1. Cos è il numero di Avogadro? 2. Quante molecole sono contenute in una mole di un qualsiasi composto? 3. Quanti atomi di elio sono contenuti in 8 grammi di elio? 4. Quante molecole di idrogeno (H2) sono contenute in 4,032 grammi di idrogeno? 5. A quante moli (o grammi-atomo) di ferro corrispondono 12,046 x atomi di ferro? A quanti grammi corrispondono?

4 7 GLI IONI Gli atomi, nelle cosiddette reazioni chimiche, possono perdere o acquistare elettroni, ma mai protoni o neutroni; la particella così ottenuta prende il nome di ione e precisamente si chiama catione, se è dotata di carica positiva, e anione, se è dotata di carica negativa. Il valore della carica elettrica viene posto in alto a destra del simbolo dell elemento, accompagnato dal segno. Esempio: lo ione 27 Al +3 è costituito da 13 protoni e 14 neutroni e da 10 elettroni, in quanto la carica +3 indica che ci sono tre cariche positive in più rispetto a quelle negative; mentre lo ione 34S +2 è costituito da 16 protoni, 18 neutroni e 18 elettroni, essendo le cariche negative due in più rispetto a quelle positive. (Atomo neutro) + 1 elettrone (-) anione (atomo neutro) - 1 elettrone (-) catione

5 8 LA STRUTTURA ELETTRONICA DEGLI ATOMI DEGLI ELEMENTI Il numero atomico di un elemento è il numero di protoni presenti nel suo nucleo. Il numero di elettroni di un atomo è uguale al numero di protoni. Gli elettroni non ruotano a caso attorno al nucleo, ma ogni elettrone si muove entro un orbita abbastanza precisa, chiamata orbitale. L orbitale è dunque uno spazio attorno al nucleo in cui è più probabile trovare l elettrone. Gli elettroni si mantengono sempre a certe distanze fisse dal nucleo; esistono elettroni che ruotano vicino al nucleo, altri un po più distante. A seconda della distanza dal nucleo l elettrone possiede una diversa energia. Se all elettrone viene fornita energia esso potrà passare a livelli energetici superiori, cioè ad una maggiore distanza dal nucleo. Il nucleo possiede attorno a sé delle fasce o livelli di energia detti gusci elettronici entro ai quali si mantengono gli elettroni. Questi livelli energetici vengono distinti da un numero, n, detto numero quantico principale. Ogni livello di energia possiede un preciso numero di orbitali. Gli orbitali possono essere di forma diversa; un livello energetico può possedere: 1 orbitale di tipo s, a forma sferica; 3 orbitali di tipo p, costituiti da tre paia di lobi schiacciati; 5 orbitali di tipo d, a forma di lobi allungati; 7 orbitali di tipo f, sempre lobati. A proposito dei gusci elettronici vi sono delle regole con cui gli elettroni si dispongono: - ogni guscio elettronico può contenere al massimo 8 elettroni (fa eccezione il primo che ne contiene solo due). - se un guscio elettronico è pieno di elettroni, quelli in più si sistemano nel guscio successivo più esterno (vedi lo schema della successione dei livelli energetici e degli orbitali di un atomo). - Gli orbitali di ciascun livello energetico (tranne il primo), differiscono l uno dall altro per la loro energia. Su ogni orbitale possono trovare posto al massimo due elettroni, in base al PRINCIPIO di PAULI. - I livelli energetici di un atomo sono analoghi ai gradini di una scala. Quanto maggiore è il livello energetico occupato dall elettrone, tanto maggiore è la sua energia e anche, in genere, la sua distanza dal nucleo. La strutture degli elettroni così determinata viene detta struttura elettronica. Si è visto che elementi con la struttura elettronica esterna uguale, hanno proprietà chimiche simili.

6 Forma dei principali orbitali Gli elettroni si dispongono in un atomo secondo una sequenza che assicura all atomo lo stato energetico più basso. I livelli energetici vengono dunque occupati dagli elettroni a partire dal livello più basso, e ogni livello viene occupato fino al massimo della sua capacità, prima che venga impegnato il successivo livello a maggiore energia. La struttura o configurazione elettronica di un atomo è la disposizione degli elettroni negli orbitali, a partire da quelli ad energia minore. Con l immagine sottostante si vogliono raffigurare i diversi livelli energetici e gli orbitali (rappresentati da una casella quadrata), ciascuno dei quali potrà ospitare al massimo due elettroni. Gli orbitali atomici secondo l ordine crescente della loro energia, man mano che si allontanano dal nucleo.

7 9 LA VALENZA E IL NUMERO DI OSSIDAZIONE Per proprietà chimiche di un elemento si intendono le sue caratteristiche nel reagire con certi elementi, le sue capacità di formare composti, ecc. Elementi chimici aventi struttura elettronica esterna simile, hanno tendenza a reagire con i medesimi elementi per dare origine a composti simili. Ciò è comprensibile se pensiamo che gli atomi vengono a contatto tra loro solo con la superficie esterna, solo cioè con il guscio elettronico più esterno. Sarà dunque questo guscio a determinare le caratteristiche chimiche di un elemento. Tutte le sostanze che risultano formate da due o più elementi prendono il nome di composti (come l H20). Per avere un composto è necessario perciò che gli atomi di due o più elementi si possano legare tra loro. La VALENZA indica la capacità che l atomo di un elemento ha di legarsi con uno o più atomi di un altro elemento. Facciamo un esempio: poiché un atomo di idrogeno non si unisce mai a più di un atomo di un altro elemento, all idrogeno si attribuisce valenza = 1. Se consideriamo la formula dell acqua, H20, diremo che l ossigeno ha valenza = 2, perché è legato a due atomi di idrogeno. Nell ammoniaca, NH3, diremo che l azoto (N) ha valenza = 3, perché ha la capacità di legare tre atomi di idrogeno. Nel metano, CH4, diremo che il carbonio (C), ha valenza = 4, perché si lega a quattro atomi di idrogeno. Considerati questi esempi, potremo dire che la valenza definisce il rapporto di combinazione degli atomi tra loro. In base a ciò, gli elementi si possono classificare in: - monovalenti (Li, Na, K, ecc.) - bivalenti (Mg, Ca, Ba, Zn, S, ecc.) - trivalenti (B, Al, N) - tetravalenti (C, Si, S, ecc.) - pentavalenti (N, P, ecc.) - esavalenti (S, ecc.) - eptavalenti Come avrete notato, alcuni elementi possono avere anche diverse valenze, per esempio l azoto (N), può avere valenza 3 e valenza 5; lo zolfo (S), può avere valenza 2, 4, 6. La valenza ci fornisce l informazione sul numero di legami che un atomo può formare. Nei composti le valenze di ciascun elemento devono essere saturate completamente da quelle di un altro elemento.

8 DA COSA DIPENDE LA VALENZA La valenza di un atomo è data dagli elettroni periferici, cioè da quelli che occupano gli orbitali più esterni, quelli quindi che più facilmente possono essere ceduti o messi in comune con un altro atomo. Più precisamente la valenza corrisponde a quelli elettroni periferici non accoppiati, cioè spaiati che un atomo possiede nella sua struttura fondamentale. Per meglio capire e per interpretare correttamente gli spostamenti di elettroni che avvengono nella formazione di composti, risulta utile il concetto di NUMERO DI OSSIDAZIONE: esso corrisponde alla carica elettrica che un atomo assume, quindi al numero effettivo di elettroni che l atomo perde o acquista in una reazione chimica (cioè nella formazione di un composto). Per questo motivo si usa dare segno + (positivo), nel caso l atomo perda elettroni, e si usa dare segno - (negativo), nel caso l atomo acquisti elettroni. In base poi alla quantità di elettroni scambiati, si attribuisce un numero. Es. nell acqua, H2O, entrambi gli atomi di idrogeno perdono un elettrone: il numero di ossidazione dell idrogeno è 1 +. Sempre nell acqua, l ossigeno acquista due elettroni: il numero di ossidazione dell ossigeno è 2 -. Il numero di ossidazione corrisponde, in pratica, alla valenza più la carica elettrica.

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