L'atomo. La materia che ci circonda (aria, acqua, terra, oggetti, esseri viventi,...) é costituita da

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1 L'atomo La materia che ci circonda (aria, acqua, terra, oggetti, esseri viventi,...) é costituita da particelle elementari chiamate atomi; nella maggior parte dei casi gli atomi sono riuniti in gruppi chiamati molecole. Un atomo è un sistema complesso costituito da un nucleo centrale formato da protoni e neutroni, attorno al quale si muovono gli elettroni. Il termine "protone" deriva dal greco e significa "primo", ossia è la particella che occupa il primo posto nella struttura del nucleo atomico. La carica elettrica del protone è uguale a 1, C (Coulomb: unità pratica di quantità di elettricità), di segno positivo e la sua massa, pari a 1, g, (o 1 u.m.a. - unità di massa atomica L'u.m.a. è definita come la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12, 12 C). Il neutrone è la particella subatomica priva di carica elettrica, da cui il nome, con massa circa uguale a quella del protone (è il 10% maggiore di quella del protone). Elettrone deriva dal latino scientifico "electricus", elettrico col suffisso "one" di ione. É una particella elementare di carica elettrica negativa pari a C e massa pari a grammi. Sono 1836 volte più leggeri dei protoni e oltre 100 milioni di volte più piccoli di un atomo.

2 Il protone ed il neutrone sono composti da tre particelle elementari chiamate quark (termine proposto dal fisico americano premio Nobel Murray Gell-Mann). Gli elettroni sono ritenuti indivisibili. L'elettrone ruota a velocità prossima a quella della luce attorno al proprio nucleo e si trova localizzato nello spazio che circonda il nucleo. Gli elettroni non girano seguendo un'orbita come fa un pianeta attorno al Sole ma si trovano in zone di spazio chiamate livelli o orbitali. Gli elettroni che si trovano nello stesso livello possiedono circa la stessa energia (energia minima al di sotto della quale non posso scendere. Più energia possiedono, maggiore sarà la loro distanza dal nucleo), che serve loro per non "cadere" sul nucleo, che essendo elettricamente positivo per la presenza dei protoni, tende ad attirarli. Un elettrone può passare da un livello ad un altro ma per far questo deve acquistare o perdere energia. In un dato livello possono trovasi un numero limitato di elettroni: nel primo livello, quello più vicino al nucleo, possono trovar posto al massimo 2 elettroni, nel secondo 8, nel terzo 18, e così via. Ogni livello è suddiviso sottolivelli. I livelli vengono occupati gradualmente man mano che sale il numero di elettroni e questo comporta che non sempre i livelli sono completi. Un atomo con numero atomico 8 (ossigeno) avrà la seguente distribuzione di elettroni ( elettrone, protone, neutrone): Dalla tabella si può notare che nel secondo livello c'è spazio ancora per due elettroni.

3 Ecco la distribuzione per un atomo con 10 elettroni (neon): Elio, neon, argon, kripton, xeno, radon sono elementi gassosi i cui atomi hanno l'ultimo livello completo (). Per questo hanno scarsissima tendenza a combinarsi tra di loro nè con altri elementi. Parafrasando l'atteggiamento della nobiltà, questi gas sono detti gas nobili. Il numero di protoni contenuti in un nucleo atomico rappresenta il numero atomico (indicato solitamente con Z, dal tedesco Zahl, e detto anche numero protonico). Ad ogni numero atomico corrisponde un diverso elemento chimico. Ad esempio: Atomo di carbonio C 6 elettroni 6 neutroni Z = 6 Atomo di ossigeno O Z = 8 Atomo di sodio Na 11 elettroni 11 neutroni Z = 11 In un atomo neutro il numero atomico è pari anche al numero di elettroni; in caso contrario l'atomo è detto ione.

4 Lo ione è un atomo elettricamente carico. Se risulta carico negativamente è un anione, positivamente è un catione. Ione di carbonio C -- 6 neutroni Atomo di carbonio carico negativamente, ha acquistato 2 elettroni Ione di ossigeno O elettroni Atomo di ossigeno carico negativamente, ha acquistato 2 elettroni Ione di sodio Na + 10 elettroni 11 neutroni Atomo di sodio carico positivamente, ha perso 1 elettrone Il numero totale di protoni e neutroni di un nucleo si dice numero di massa e si indica tradizionalmente con A. In un nucleo con Z protoni e N neutroni si ha A=Z+N, dove Z è il numero atomico ed N il numero neutronico. Atomo di carbonio C Atomo di ossigeno O Atomo di sodio Na

5 6 elettroni 6 neutroni Z = 6 A = 12 Z = 8 A = elettroni 11 neutroni Z = 11 A = 22 Esistono però atomi dello stesso elemento, che hanno lo stesso numero di protoni e un diverso numero di neutroni essi sono detti isotopi. Isotopo del carbonio C 14 Isotopo dell'ossigeno O 18 Isotopo del sodio Na 23 6 elettroni Z = 6 A = neutroni Z = 8 A = elettroni 12 neutroni Z = 11 A = 23 Di solito, in natura si trova più di un isotopo di un elemento, ma in diversa quantità. Pertanto la massa relativa di un dato elemento chimico è una media ponderata della massa relativa di ciascun isotopo.

6 Atomo di carbonio C 6 elettroni 6 neutroni Z = 6 A = Atomo di ossigeno O A = 16 A = Atomo di sodio Na 11 elettroni 11 neutroni A = 22 A = La necessità di ordinare le conoscenze che venivano accumulandosi venne sentita fin dai primordi della chimica, e Lavoisier propose (nel 1789) una prima forma di sistematica chimica. Bisogna, però, aspettare all'incirca il 1870 affinché si giunga al modello che, con le opportune aggiunte, è utilizzato ai giorni nostri. Fu proprio in quel periodo che L. Meyer e D.I. Mendeleev, indipendentemente l'uno dall'altro, assunsero la massa atomica come parametro nella classificazione periodica degli elementi. Mendeleev pubblicò i propri risultati qualche mese prima di Meyer, ed è per questo che molto spesso ci si riferisce alla Tavola periodica degli elementi col solo nome di questi.

7 Legenda per i colori dei numeri atomici: gli elementi numerati in blu sono liquidi a T = 298K e p = 1bar; quelli in verde sono gas a T = 298K e p = 1bar; quelli in nero sono solidi a T = 298K e p = 1bar; quelli in rosso sono artificiali e non sono naturalmente presenti sulla Terra (sono tutti solidi a T = 298K e p = 1bar). quelli in grigio non sono ancora stati scoperti. La tavola periodica si articola in gruppi e periodi. Ogni gruppo (colonne verticali della tavola) comprende gli elementi che hanno la stessa configurazione elettronica esterna, cioè lo stesso numero di elettroni sull'orbita esterna. Ogni periodo (linee orizzontali delle tabella) inizia con un elemento il cui atomo ha un elettrone sull'ultima orbita e, procedendo verso gli atomi successivi del periodo, il numero atomico aumenta di una unità ad ogni passaggio.

8 I legami chimici Gli elettroni più esterni sono importanti dal punto di vista chimico perché sono quelli che possono entrare in "contatto" con gli atomi vicini. Semplificando la situazione possiamo dire che nel livello più esterno possono trovar posto 2 o 8 elettroni per cui un atomo come l'ossigeno ha ancora "posto" per altri due elettroni, mentre il neon no. Questo fatto è alla base della possibilità che hanno gli atomi ad unirsi. La distribuzione degli elettroni in un atomo e la configurazione dell'ultima orbita determinano la capacità che ha un atomo di combinarsi con altri atomi. Ad esempio: Atomo di Sodio Na Z = 11 (un elettrone sull'ultimo livello, per completare il livello ne mancano sette) Atomo di Cloro Cl Z = 17 (sette elettroni sull'ultimo livello, per completare il livello ne manca uno) Quindi l'atomo donatore (Na), possiede pochi elettroni nell'ultimo livello per cui per ottenere la configurazione stabile (ultimo livello completo) tende a perdere l'elettrone del terzo livello piuttosto che acquistarne sette. All'atomo accettore (Cl) manca un solo elettrone per ottenere la stabilità. Il donatore cedendo il proprio elettrone acquista una carica positiva (si dice che è uno ione positivo o catione) in quanto il numero di protoni (+) diventa maggiore di quello degli elettroni

9 (-); viceversa l'accettore acquista una carica negativa (ione negativo o anione) in quanto il numero di elettroni supera quello dei protoni. In questo modo in ciascuno dei due atomi si crea uno squilibrio di cariche elettriche. I due atomi si attraggono formando la molecola. Molecola di cloruro di sodio NaCl Il legame che si stabilisce fra almeno due atomi di elementi diversi mediante trasferimento di elettroni, nel senso che un atomo cede uno o più elettroni di valenza ad un altro atomo (maggiormente elettrofilo) che li acquista, è detto legame ionico. Diversamente, per assumere la configurazione elettronica esterna uguale a quella di un gas nobile, e quindi la maggiore stabilità, gli atomi possono legarsi fra loro mettendo in compartecipazione gli elettroni di valenza, invece di trasferirli come nel caso del legame ionico. Questo è il legame covalente. Atomo di ossigeno O (Z = 8) Molecola biatomica di ossigeno O 2