Struttura della materia

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1 Struttura della materia L Atomo L Atomo é il componente base della materia. Ogni oggetto materiale esistente nell universo é costituito da atomi; gli animali, le piante, la terra, l aria, il Sole e le stelle sono costituiti da un immenso numero di microscopici atomi. Esistono vari tipi di atomi, di grandezza variabile, ma in generale gli atomi sono estremamente piccoli; basti pensare che un punto di matita é composto da circa mille miliardi di atomi di Carbonio, mentre una goccia d acqua contiene circa cinquemila miliardi di miliardi di atomi di Idrogeno e Ossigeno. Ogni atomo é composto da un Nucleo interno, avvolto da alcune nubi elettroniche dette Orbitali, di forma sferica o ellittica. Il Nucleo é la parte centrale di un atomo, contiene due tipi di particelle, i Protoni e i Neutroni. Il numero di protoni é molto importante, poiché determina il tipo di atomo; se un atomo contiene 4 protoni sará Elio, se ne contiene 8 sará Ossigeno, se ne contiene 26 sará Ferro, ecc. Tale numero prende il nome di Numero Atomico. Gli Orbitali costituiscono il guscio di un atomo, contengono un tipo di particella detta Elettrone. Gli elettroni permettono agli atomi di unirsi gli uni con gli altri, agganciandosi attraverso dei Legami Elettrostatici. Un atomo in equilibrio possiede tanti elettroni quanti protoni, ma alcuni elettroni possono essere persi o acquisiti; il numero di neutroni é invece leggermente variabile tra atomi dello stesso tipo. Forze fondamentali della Natura Tutto l universo conosciuto é regolato da quattro Forze Fondamentali; queste forze mantengono stabile la struttura degli atomi, permettendo ad essi di aggregarsi in modo ordinato e di dare forma all universo. La Forza Elettromagnetica tiene uniti gli orbitali, carichi di elettroni, al nucleo dell atomo, contenente i protoni; é una forza di modesta intensitá che agisce a distanze piccole. La Forza Nucleare Forte tiene uniti tra loro i protoni all interno del nucleo; é una forza estremamente intensa che agisce a distanze microscopiche. La Forza Nucleare Debole agisce all interno del nucleo degli atomi, é responsabile del riordinamento dei protoni e dei neutroni all interno del nucleo, ed é causa delle Reazioni Nucleari. La Forza di gravitá attrae due corpi qualsiasi dotati di massa; é una forza estremamente debole, ma agisce a distanze macroscopiche, é infatti responsabile del moto dei pianeti, delle stelle, delle galassie e dell intero universo. 1

2 2 Figura 1: Struttura dell atomo

3 0.2. INTERAZIONI TRA GLI ATOMI 3 Interazioni tra gli atomi Il nucleo di un atomo é estremamente resistente e puó essere rotto solamente attraverso le reazioni nucleari, che avvengono in condizioni particolari. Al contrario gli orbitali dei diversi atomi tendono ad interagire tra loro e a scambiarsi gli elettroni; tali interazioni portano gli atomi ad aggregarsi naturalmente, formando Legami Elettrostatici. Saltando da un orbitale al successivo, un elettrone assorbe o libera energia sottoforma di Fotoni, da noi percepiti come luce e calore. Gli Elementi sono aggregati di atomi tutti dello stesso tipo; in natura é molto difficile trovare elementi puri. Alcuni esempi di elementi sono l oro, il ferro, l ossigeno, l elio, il carbonio, l uranio. Le Molecole sono aggregati di atomi diversi, organizzati in modo ordinato secondo precise combinazioni. Gli elementi conosciuti sono in numero limitato, ma le combinazioni nelle quali possono aggregarsi, ovvero le molecole, sono innumerevoli. Alcuni esempi di molecole sono l acqua, la benzina, le proteine, lo zucchero. Le Leghe sono aggregati di atomi diversi, solitamente atomi massivi, miscelati in modo disordinato. Alcuni esempi di leghe sono l acciao, la ghisa, il bronzo, l ottone. Molecole inorganiche e organiche Gli atomi possono combinarsi tra loro in forme molto complesse, originando molecole particolari, ognuna caratterizzata da un aspetto e da proprietá caratteristiche. Le creature viventi sono costituite da molecole complesse, in particolare molecole organiche, formate da catene di Carbonio. Le molecole inorganiche costituiscono principalmente i minerali, e comprendono ossidi, acidi, basi e sali. Sono molecole molto diffuse e di struttura generalmente semplice. Sono esempi di molecole inorganiche il sale comune (NaCl), e la ruggine di ferro (Fe 2 O 3 ). Le molecole organiche costituiscono principalmente le creature viventi, e si basano su catene di Carbonio. Sono molecole su cui si basa la vita e di struttura generalmente complessa. Sono esempi di molecole organiche il Glucosio (C 6 H 12 O 6 ), componente degli zuccheri, e l Ottano (C 8 H 18 ), componente della benzina.

4 4 Figura 2: Aggregati di atomi

5 0.2. INTERAZIONI TRA GLI ATOMI 5 Figura 3: Molecole inorganiche

6 6 Figura 4: Molecole organiche

7 0.3. LA TAVOLA PERIODICA 7 La Tavola Periodica L intero universo é costituito da pochi tipi di atomi; gli oggetti appaiono diversi non tanto perché costituiti da diversi tipi di atomi, ma piuttosto perché gli stessi tipi di atomi sono aggregati in modo diverso. L acqua, l aria, gli animali e le piante, sono costituiti in gran parte da atomi dello stesso tipo, organizzati secondo molecole diverse. Attualmente sono stati individuati 118 tipi di atomi, descritti nella Tavola Periodica degli Elementi ed ordinati secondo il proprio Numero Atomico. Le prime righe contengono gli atomi più leggeri, costituiti da pochi protoni e neutroni; al contrario le ultime righe contengono gli atomi più pesanti. Le prime righe contengono gli atomi più comuni; al contrario le ultime righe contengono gli atomi più rari e quindi più preziosi. I blocchi nei quali è suddivisa la tavola periodica, rispecchiano la forma degli orbitali degli atomi. Le prime righe contengono atomi con pochi orbitali; le ultime righe contengono atomi con molti tipi di orbitali diversi. 1. Gli orbitali di tipo S accolgono ciascuno fino a 2 elettroni. 2. Gli orbitali di tipo P accolgono ciascuno fino a 6 elettroni. 3. Gli orbitali di tipo D accolgono ciascuno fino a 10 elettroni. 4. Gli orbitali di tipo F accolgono ciascuno fino a 14 elettroni.

8 8 Figura 5: Tavola Periodica fisica

9 0.3. LA TAVOLA PERIODICA 9 Figura 6: Tavola Periodica chimica