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Delia Picone » 2.Struttura Atomica della Materia


La Materia è fatta di Atomi

Già la teoria di Dalton, illustrata nel capitolo precedente, afferma che la materia è fatta di atomi. Si definisce atomo la particella più piccola di elemento che possiede le proprietà dell’elemento stesso. Sappiamo oggi che l’atomo non è indivisibile, come pensava Dalton, ma ha una struttura complessa. Esperimenti scientifici condotti all’inizio del secolo scorso hanno permesso di stabilire che l’atomo è costituito da un nucleo, dotato di carica positiva, e da elettroni, dotati di carica negativa. Il nucleo contiene anche delle particelle neutre, denominate neutroni, che minizzano la repulsione fra le cariche positive dei protoni. Ogni atomo è neutro, ma l’assenza di una carica netta dipende dal bilanciamento perfetto fra cariche di segno opposto, positive (+) e negative (-). Il numero di protoni, infatti, è uguale al numero di elettroni, e rappresenta il numero atomico. Esso è caratteristico per ogni elemento, e si indica con la lettera A.

Il numero di neutroni, invece, può essere variabile. Il numero di protoni più il numero di neutroni costituisce il numero di massa, che si indica con la lettera Z.

Atomo nucleare. Gli elettroni (e-) ruotano intorno al nucleo, fatto da protoni (p) e neutroni (n)

Atomo nucleare. Gli elettroni (e-) ruotano intorno al nucleo, fatto da protoni (p) e neutroni (n)


Componenti dell’Atomo

Nella Tabella riportata a lato sono riportate le caratteristiche dei componenti dell’atomo. Si osservi che la carica elettrica si misura in Coulomb, ma in chimica risulta molto più comodo usare un riferimento interno, basato sulla carica dell’elettrone, che viene posta uguale a –1. Di conseguenza, la carica del protone risulta uguale a +1. Dall’analisi dei dati riportati in tabella risulta anche evidente che la massa atomica è dovuta essenzialmente alle componenti nucleari, dato che la massa dell’elettrone è molto più piccola (circa 4 ordini di grandezza) di quella del protone e del neutrone.


L’Atomo Nucleare

Se, come abbiamo appena visto, la massa dell’atomo è concentrata nucleo, lo stesso nucleo rappresenta una frazione piccolissima del volume atomico. Il modello attuale dell’atomo nucleare è stato definito qualitativamente sulla base di esperimenti condotti all’inizio del 1900 da Rutheford e Geiger (1909), illustrati schematicamente nell’immagine a lato. Bombardando una lamina di oro molto sottile con delle particelle alfa (nuclei di elio, carichi positivamente) si osservò che la maggior parte delle particelle attraversava la lamina senza subire alcuna deviazione, mentre una piccola frazione di queste subiva una lieve deviazione, e una frazione ancora più piccola veniva fortemente deviata, fin quasi a rimbalzare completamente.

L’interpretazione di questo esperimento portò al cosiddetto modello di atomo nucleare: la massa atomica è concentrata in un piccolissimo volume, nella regione definità nucleo, con carica positiva. Le particelle alfa che incontrano un nucleo sulla propria traiettoria subiscono una deviazione per effetto della repulsione fra cariche dello stesso segno. Il numero di particelle deviate è estremamente basso perché i nuclei occupano una parte piccolissima dell’intero volume atomico, e lasciano agli elettroni la maggior parte dello spazio.

In conclusione possiamo affermare che la massa di un atomo è dovuta al nucleo, il volume agli elettroni.

Il diametro di un atomo è all’incirca 10-8 cm, quello del nucleo  10-13 cm

Il diametro di un atomo è all'incirca 10-8 cm, quello del nucleo 10-13 cm


Proprietà degli Atomi

Ogni elemento chimico è rappresentato univocamente da un simbolo, che può essere costituito da una sola lettera maiuscola o al più da due lettere. In questo caso solo la prima lettera sarà maiuscola. I simboli degli elementi derivano nella maggior parte dei casi dalle iniziali dei loro nomi latini o inglesi. La tabella a lato riporta i nomi e i simboli di alcuni elementi molto comuni.

Gli elementi chimici sono riportati nella Tavola Periodica degli elementi in ordine di numero atomico crescente.

La pagina successiva riporta invece una rappresentazione schematica della tavola periodica, dove è evidenziata la sua suddivisione in blocchi. I blocchi alle estremità sinistra e destra (denominati s e p) raggruppano i cosiddetti elementi tipici, la parte centrale corrisponde al blocco d, denominato anche blocco degli elementi di transizione, e la parte separata, in basso, raccoglie gli elementi del blocco f, detti anche elementi di transizione interna. Scopriremo più avanti l’origine di questa denominazione, e l’utilità della tavola periodica. Per ora ci basta ricordare che gli elementi che appartengono allo stesso blocco presentano caratteristiche chimiche simili. Una versione completa della tavola periodica è presentata nelle pagine seguenti.

Nomi e simboli di elementi

Nomi e simboli di elementi


La Tavola Periodica


Tavola Periodica

La tavola periodica è suddivisa in righe e colonne, numerate in ordine progressivo, che tradizionalmente erano chiamati rispettivamente periodi e gruppi. Gli elementi di ogni colonna hanno caratteristiche chimiche comuni.

Tavola periodica

Tavola periodica


Composti Molecolari e Ionici

Gli elettroni rappresentano dunque l’esterno di un atomo, cioè la parte che si rivolge agli altri atomi. Le proprietà chimiche di un atomo dipendono proprio dagli elettroni, soprattutto dal modo secondo cui gli elettroni sono distribuiti intorno al nucleo. Impareremo in seguito che la distribuzione degli elettroni dipende in modo critico dal loro numero, che come abbiamo già visto è uguale al numero di protoni, e corrisponde al numero atomico dell’elemento stesso.

In natura solo raramente troviamo atomi isolati, mentre la grandissima maggioranza delle sostanze è costituita da molecole o da composti ionici. Una molecola è costituita da due o più atomi, comunque in numero discreto e definito, e rappresenta la particella più piccola di una sostanza che ne possiede le proprietà chimiche. Atomi e molecole sono neutri, ma possono assumere una carica elettrica, trasformandosi in ioni. Gli ioni sono denominati cationi se hanno carica positiva, anioni se hanno carica negativa. Tutte le sostanze, incluse quelle ioniche, sono neutre. Come nel caso degli atomi, la neutralità delle sostanze ioniche deriva dal bilanciamento perfetto delle cariche positive e negative.

Ogni composto ha una formula definita e una massa.

Alcune molecole: l’acqua ossigenata (a, H2O2) e il cloruro di etile (b, CH3CH2Cl)

Alcune molecole: l'acqua ossigenata (a, H2O2) e il cloruro di etile (b, CH3CH2Cl)

Un composto ionico, il cloruro di sodio (NaCl), fatto da cationi (Na+) e anioni (Cl-)

Un composto ionico, il cloruro di sodio (NaCl), fatto da cationi (Na+) e anioni (Cl-)


Massa molecolare e Massa Formula

La massa di un composto si ricava direttamente dalla massa degli atomi che lo costituiscono, così come sono riportati nella formula. A titolo di esempio consideriamo la molecola di acqua, che ha formula H2O: la massa di una molecola, o massa molecolare, è ottenuta sommando due volte la massa dell’idrogeno e una volta quella dell’ossigeno. Analogamente, la massa del cloruro di sodio, che ha formula NaCl, è ottenuta sommando la massa del sodio e quella del cloro. Si noti che in quest’ultimo caso, come è evidente dalla figura riportata in basso, non si può riconoscere una “molecola” di NaCl, in quanto il composto è caratterizzato da una struttura tridimensionale in cui si alternano ioni Na+ e ioni Cl-. La formula chimica, per tutti i composti ionici, riflette solo il rapporto fra gli ioni di carica opposta e dipende unicamente dalla carica degli ioni stessi. La massa di un composto ionico è quindi più correttamente denominata massa formula.

Le masse atomiche degli elementi sono riportate nella tavola periodica.

Sappiamo però che gli atomi (e le molecole) sono oggetti piccolissimi, quindi esprimere le loro masse in grammi è poco agevole. Per questo motivo è stata definita un’unità di misura appropriata, ma per presentarla dobbiamo sapere qualcosa in più sugli atomi e sui loro nuclei.

Modello molecolare dell’acqua: l’ossigeno è rosso  e gli idrogeni azzurri

Modello molecolare dell'acqua: l'ossigeno è rosso e gli idrogeni azzurri

In un composto ionico c’è un reticolo geometrico di cationi (Na+) e anioni (Cl-)

In un composto ionico c'è un reticolo geometrico di cationi (Na+) e anioni (Cl-)


Unità di Misura per gli Atomi

Un elemento chimico è univocamente caratterizzato dal suo numero atomico Z che, come abbiamo visto, corrisponde al numero di protoni che si trovano nel nucleo e anche, ovviamente, al numero di elettroni. Il nucleo contiene anche neutroni che, insieme ai protoni, definiscono il numero di massa A. La maggior parte degli elementi si trova in natura sotto forma di specie diverse, denominate isotopi, caratterizzate da un diverso numero di neutroni.

Gli isotopi di un elemento, quindi, hanno lo stesso numero atomico ma un diverso numero di massa. Poiché hanno lo stesso numero atomico, occupano la stessa posizione nella Tavola Periodica. Il carbonio, ad esempio, esiste sotto forma di tre isotopi, con numero di massa 12, 13 e 14. Poiché il carbonio ha numero atomico 6, ha 6 protoni e 6 elettroni: i tre isotopi differiscono per il numero di neutroni che sono rispettivamente 6, 7 e 8.

L’isotopo 12 del carbonio è stato scelto come riferimento per definire l’unità di massa atomica, cioè l’unità di misura adatta a esprimere le masse di atomi e composti chimici. L’unità di massa atomica (uma) corrisponde a 1/12 della massa di un atomo di 12C, ed equivale a 1.6605 x 10-24 g.

Un atomo di carbonio. Di quale isotopo si tratta?

Un atomo di carbonio. Di quale isotopo si tratta?

I tre isotopi del carbonio. Quanti neutroni ha ciascuno?

I tre isotopi del carbonio. Quanti neutroni ha ciascuno?


Abbondanza Isotopica

La massa atomica dell’isotopo 12 del carbonio è quindi 12 uma (con un numero infinito di cifre significative, poiché non corrisponde a una grandezza misurata). Se però cerchiamo nella Tavola Periodica la massa atomica del carbonio, troviamo che essa è 12.011 uma. Perché? Il carbonio naturale, come abbiamo riferito nella pagina precedente, è costituito da tre isotopi, ciascuno dei quali rappresenta una certa frazione del campione naturale. Questa percentuale è definita, per ciascun isotopo, abbondanza isotopica. Possiamo quindi definire l’abbondanza isotopica di qualsiasi isotopo A di qualsiasi elemento X come la percentuale di A nei campioni naturali contenenti X. Questo aspetto è di importanza fondamentale perché la massa atomica di ogni elemento riflette la sua composizione isotopica, e rappresenta proprio la media pesata delle masse dei vari isotopi dell’elemento stesso. Un semplice esempio numerico, illustrato in modo semplificato riferendosi ai due isotopi più abbondanti del carbonio, è riportato nel file allegato.

Va sottolineato a questo punto un concetto importante: la massa atomica così definita rappresenta un valore virtuale, che non corrisponde alla massa dei singoli atomi ma è il frutto di un calcolo basato sull’assunzione che tutti gli atomi di un elemento siano uguali.

Nella regione della tavola periodica qui riportata leggiamo la massa atomica del carbonio

Nella regione della tavola periodica qui riportata leggiamo la massa atomica del carbonio


I materiali di supporto della lezione

Alcune figure utilizzate sono state prese da:

Principi di Chimica, P. Atkins e L. Jones, Zanichelli;

Chimica-Un'introduzione, D.D. Ebbing e Wentworth, R.A., Idelson-Gnocchi

General Chemistry, Principles and Modern Applications, Petrucci, R.H., Harwood, W.S. and Herring, F.G., Pearson Education (http://cwx.prenhall.com/petrucci/)

Composizione carbonio

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