La materia che ci circonda, dall'acqua che beviamo all'aria che respiriamo, è costruita a partire da minuscoli mattoni chiamati atomi, organizzati in elementi diversi che la tavola periodica ordina con sorprendente eleganza.
Immagina di prendere un cucchiaino di zucchero e di dividerlo a metà, poi ancora a metà, e così via decine di volte: arriveresti a una particella così piccola da risultare invisibile anche al microscopio ottico. Per secoli i filosofi hanno discusso se questa divisione potesse continuare all'infinito o se esistesse un limite ultimo. Già nel V secolo a.C. il greco Democrito immaginò che la materia fosse fatta di particelle indivisibili, che chiamò appunto àtomos, cioè letteralmente non tagliabili. Oggi sappiamo che aveva ragione nell'intuizione, anche se gli atomi non sono affatto i mattoncini lisci e compatti che lui immaginava. Capire la struttura dell'atomo significa possedere la chiave per spiegare perché il sale si scioglie, perché il ferro arrugginisce e perché le stelle brillano nel cielo notturno.
Dall'idea filosofica al modello scientifico
La storia dell'atomo è una bellissima avventura intellettuale che attraversa più di duemila anni di pensiero. L'idea di Democrito rimase pura speculazione fino all'inizio dell'Ottocento, quando il chimico inglese John Dalton la trasformò in una vera teoria scientifica basata su esperimenti quantitativi. Dalton osservò che gli elementi si combinano sempre secondo rapporti di massa fissi e propose che ogni elemento fosse costituito da atomi identici tra loro ma diversi da quelli degli altri elementi. Alla fine dell'Ottocento Joseph John Thomson scoprì l'elettrone studiando i raggi catodici e immaginò l'atomo come un panettone, con cariche positive diffuse e gli elettroni incastonati come canditi. Pochi anni dopo Ernest Rutherford, bombardando una sottilissima lamina d'oro con particelle alfa, scoprì che la maggior parte dell'atomo è vuota e che la carica positiva è concentrata in un piccolissimo nucleo centrale. Per fare un paragone, se il nucleo fosse grande come una pallina da tennis al centro di uno stadio, gli elettroni orbiterebbero lungo le tribune più lontane.
Le particelle che compongono l'atomo
Oggi sappiamo che ogni atomo è formato da tre tipi di particelle subatomiche, ciascuna con un ruolo preciso e caratteristiche ben definite. I protoni sono particelle dotate di carica elettrica positiva e si trovano nel nucleo, dove determinano l'identità chimica dell'elemento. I neutroni, anch'essi nel nucleo, sono privi di carica elettrica e contribuiscono insieme ai protoni alla massa dell'atomo. Gli elettroni invece hanno carica negativa, una massa quasi duemila volte inferiore a quella dei protoni e si muovono velocissimi in regioni dello spazio attorno al nucleo chiamate orbitali. Considera un atomo di carbonio presente nella grafite della tua matita: contiene sei protoni, sei o sette neutroni a seconda dell'isotopo e sei elettroni che si distribuiscono attorno al nucleo. In un atomo neutro il numero di protoni è sempre uguale al numero di elettroni, così le cariche positive e negative si bilanciano perfettamente.
Numero atomico, numero di massa e isotopi
Per descrivere un atomo i chimici usano due numeri fondamentali che si scrivono accanto al simbolo dell'elemento. Il numero atomico, indicato con la lettera Z, corrisponde al numero di protoni presenti nel nucleo e definisce di quale elemento si tratta: un atomo con Z = 1 è sempre idrogeno, uno con Z = 8 è sempre ossigeno, senza eccezioni. Il numero di massa, indicato con la lettera A, è invece la somma di protoni e neutroni presenti nel nucleo e ci dà una misura della massa complessiva dell'atomo. Atomi dello stesso elemento, e quindi con lo stesso Z, possono però avere numeri diversi di neutroni e dunque valori di A differenti: questi atomi si chiamano isotopi. Un esempio celebre è il carbonio: il carbonio-12 ha sei neutroni ed è il più abbondante, mentre il carbonio-14 ne ha otto ed è radioattivo, sfruttato dagli archeologi per datare i reperti antichi. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno proprietà chimiche praticamente identiche perché ciò che conta nelle reazioni sono gli elettroni, non i neutroni.
Gli elementi e la tavola periodica
Un elemento chimico è una sostanza pura formata da atomi che hanno tutti lo stesso numero atomico e che non può essere scomposta in sostanze più semplici con metodi chimici ordinari. Attualmente conosciamo 118 elementi, di cui circa 90 esistono in natura e gli altri sono stati prodotti artificialmente nei laboratori di fisica nucleare. Ogni elemento ha un nome e un simbolo formato da una o due lettere, spesso derivati dal nome latino: ad esempio Fe per il ferro (ferrum), Au per l'oro (aurum) e Na per il sodio (natrium). Il chimico russo Dmitrij Mendeleev nel 1869 ebbe la geniale idea di disporre gli elementi in ordine di massa crescente, accorgendosi che le proprietà chimiche si ripetevano periodicamente. Oggi la tavola periodica ordina gli elementi per numero atomico crescente, in righe orizzontali chiamate periodi e colonne verticali chiamate gruppi, dove gli elementi dello stesso gruppo mostrano comportamenti chimici molto simili. Pensa al gruppo dei gas nobili come elio, neon e argon: tutti incredibilmente poco reattivi, tanto che il neon viene usato senza pericolo nelle insegne luminose dei negozi.
Come si distribuiscono gli elettroni
Gli elettroni non si trovano dove capita, ma si dispongono attorno al nucleo seguendo regole precise che determinano il comportamento chimico dell'elemento. Si organizzano in livelli energetici, chiamati anche gusci, numerati da 1 in poi a partire dal più vicino al nucleo, e ciascun livello può contenere un numero massimo di elettroni. Il primo livello ne ospita al massimo 2, il secondo 8, il terzo 8 nei casi più semplici che vedrai in prima liceo. Gli elettroni del livello più esterno si chiamano elettroni di valenza e sono i veri protagonisti delle reazioni chimiche, perché determinano come l'atomo si lega agli altri. Per esempio l'ossigeno ha numero atomico 8: due elettroni occupano il primo livello e sei restano nel secondo, dove mancano due posti per arrivare alla configurazione stabile dell'ottetto. Questa mancanza spiega perché l'ossigeno è così reattivo e tende a formare legami catturando o condividendo due elettroni con altri atomi, come accade nella molecola d'acqua.
Ricorda
Punti chiave da fissare nella memoria:
- L'atomo è formato da un nucleo con protoni positivi e neutroni neutri, circondato da elettroni negativi in continuo movimento.
- Il numero atomico Z indica i protoni e identifica l'elemento, mentre il numero di massa A è la somma di protoni e neutroni.
- Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con numero diverso di neutroni e quindi diverso numero di massa.
- Un elemento chimico è una sostanza pura con un solo tipo di atomi e ogni elemento ha un simbolo univoco riconosciuto a livello internazionale.
- La tavola periodica ordina gli elementi per Z crescente in periodi e gruppi, raggruppando insieme quelli con proprietà simili.
- Gli elettroni si distribuiscono in livelli energetici e quelli di valenza determinano la reattività chimica dell'atomo.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: considera l'atomo di alluminio, che ha numero atomico 13 e numero di massa 27. Scrivi quanti protoni, neutroni ed elettroni contiene un suo atomo neutro, poi distribuisci gli elettroni nei livelli energetici partendo dal primo e indica quanti sono gli elettroni di valenza. Infine spiega in due righe perché un altro atomo con 13 protoni ma 14 neutroni sarebbe ancora alluminio.