L'atomo è la più piccola unità che conserva le proprietà chimiche di un elemento. Comprendere la sua struttura significa capire perché il sale si scioglie nell'acqua, perché un filo di rame conduce elettricità e perché il ferro arrugginisce. In questa lezione esploreremo le particelle subatomiche, il numero atomico, gli isotopi e la tavola periodica.
Dalla materia continua all'atomo: un'idea lunga 2500 anni
Già nel V secolo a.C. il filosofo greco Democrito immaginò che la materia, se divisa molte volte, dovesse arrivare a una particella indivisibile, che chiamò àtomos. Per oltre due millenni questa intuizione rimase una speculazione filosofica, perché non esistevano strumenti capaci di confermarla o smentirla. Solo all'inizio dell'Ottocento il chimico inglese John Dalton trasformò l'idea in teoria scientifica, basandola sulle proporzioni con cui gli elementi si combinano. Dalton sostenne che ogni elemento è formato da atomi identici tra loro e diversi da quelli degli altri elementi. Un esempio quotidiano: l'acqua minerale che bevi contiene sempre molecole con due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, in qualunque bottiglia tu apra. Allo stesso modo, il gesso che usi alla lavagna è composto da atomi di calcio, zolfo e ossigeno disposti in rapporti fissi.
Le particelle subatomiche: protoni, neutroni ed elettroni
A cavallo tra Ottocento e Novecento esperimenti sempre più raffinati rivelarono che l'atomo non è affatto indivisibile, ma è composto da particelle ancora più piccole. Al centro dell'atomo si trova il nucleo, che contiene i protoni (carica positiva) e i neutroni (privi di carica), entrambi con massa molto simile e pari a circa una unità di massa atomica. Attorno al nucleo, in una regione vastissima rispetto alle sue dimensioni, si muovono gli elettroni, particelle con carica negativa e massa quasi trascurabile, circa 1836 volte minore di quella del protone. Per immaginare le proporzioni, pensa al nucleo come a una pallina da tennis al centro di uno stadio: gli elettroni si troverebbero sulle gradinate più lontane. Un altro esempio utile: la massa di un foglio di alluminio dipende quasi interamente dai protoni e neutroni dei suoi nuclei, mentre la sua reattività chimica dipende dagli elettroni esterni. Le cariche dei protoni e degli elettroni hanno lo stesso valore assoluto, e in un atomo neutro il loro numero è uguale.
Numero atomico e numero di massa
Ogni elemento chimico si identifica grazie a un valore che lo rende unico: il numero atomico, indicato con la lettera Z, che corrisponde al numero di protoni presenti nel nucleo. Se cambia Z cambia l'elemento, perché il numero di protoni determina come l'atomo si lega agli altri e quali proprietà chimiche manifesta. Il numero di massa, indicato con A, è invece la somma di protoni e neutroni e fornisce un'idea della massa dell'atomo. Per esempio, l'atomo di carbonio ha Z uguale a 6: ovunque tu lo trovi, nella mina di una matita, nel diamante di un anello o nell'anidride carbonica che espiri, ha sempre 6 protoni. Se invece consideri un atomo di sodio (Z = 11) con 12 neutroni, il suo numero di massa è A uguale a 23, valore che ritrovi sul simbolo scritto come Na con 23 in alto a sinistra e 11 in basso. Conoscere Z e A permette di calcolare il numero di neutroni come differenza A meno Z.
Gli isotopi: stessi protoni, neutroni diversi
Atomi dello stesso elemento possono avere un numero diverso di neutroni: si chiamano isotopi e hanno proprietà chimiche identiche ma masse leggermente diverse. Il carbonio, per esempio, esiste in natura come carbonio-12 (6 protoni e 6 neutroni) e in quantità minore come carbonio-13 e carbonio-14, quest'ultimo radioattivo e usato per la datazione dei reperti archeologici. L'idrogeno presenta tre isotopi molto famosi: il prozio, che è l'idrogeno comune con un solo protone, il deuterio con un protone e un neutrone, e il trizio con un protone e due neutroni. Un esempio concreto della loro importanza: l'acqua pesante, usata in alcuni reattori nucleari, è formata da molecole in cui l'idrogeno comune è sostituito dal deuterio. Un altro esempio: la massa atomica indicata sulla tavola periodica, ad esempio 35,45 per il cloro, è una media ponderata che tiene conto dell'abbondanza naturale dei suoi isotopi (cloro-35 e cloro-37). Per questo molti valori non sono numeri interi.
Ioni: quando l'atomo perde o acquista elettroni
Un atomo neutro ha lo stesso numero di protoni e di elettroni, ma in molte reazioni chimiche gli atomi cedono o acquistano elettroni e diventano particelle cariche, chiamate ioni. Quando un atomo perde elettroni si trasforma in catione, con carica positiva, perché i protoni superano in numero gli elettroni rimasti. Al contrario, quando un atomo acquista elettroni si forma un anione, con carica negativa, perché gli elettroni in eccesso superano i protoni. Il sale da cucina, cioè il cloruro di sodio, esiste solo grazie a questo fenomeno: il sodio cede un elettrone al cloro formando Na⁺ e Cl⁻, che si attraggono per elettrostatica. Un altro esempio è il calcio nelle ossa: si trova come ione Ca²⁺ perché ha ceduto due elettroni, e in questa forma costruisce i cristalli che danno solidità allo scheletro. Riconoscere se uno ione è catione o anione è quindi fondamentale per capire come si formano i composti.
La tavola periodica: l'ordine degli elementi
Nel 1869 il chimico russo Dmitrij Mendeleev pubblicò una tabella in cui ordinò gli elementi noti per massa crescente e notò che le loro proprietà si ripetevano in modo regolare. Oggi la tavola periodica ordina gli elementi per numero atomico crescente e li dispone in 7 righe orizzontali, chiamate periodi, e 18 colonne verticali, chiamate gruppi. Gli elementi della stessa colonna hanno proprietà chimiche simili perché possiedono lo stesso numero di elettroni nello strato più esterno. Per esempio, il gruppo 1 contiene i metalli alcalini come litio, sodio e potassio, tutti morbidi e reattivissimi con l'acqua; il gruppo 18 contiene i gas nobili come elio, neon e argon, praticamente inerti, usati nelle insegne luminose o per gonfiare i palloncini delle feste. Un altro esempio interessante: gli alogeni del gruppo 17, come fluoro e cloro, formano sali con i metalli alcalini, come accade per la fluorite o per il comune sale marino. La tavola distingue inoltre metalli (a sinistra), non metalli (a destra) e semimetalli (lungo una linea a gradini).
Configurazione elettronica e livelli energetici
Gli elettroni non si muovono in modo disordinato attorno al nucleo, ma occupano specifici livelli energetici, indicati con i numeri 1, 2, 3 e così via, che possono contenere un numero massimo di elettroni: 2 nel primo livello, 8 nel secondo, 8 nel terzo per gli atomi più leggeri. La distribuzione degli elettroni nei vari livelli si chiama configurazione elettronica e determina le proprietà chimiche dell'elemento. Gli elettroni più importanti sono quelli del livello più esterno, detti elettroni di valenza: sono loro a partecipare ai legami chimici. Per esempio, l'ossigeno ha configurazione 2, 6: i 6 elettroni del secondo livello spiegano perché l'ossigeno cerca di acquistarne altri 2 per riempirlo, formando lo ione O²⁻ o legami covalenti come quelli dell'acqua. Un altro esempio: il neon ha configurazione 2, 8 e il suo livello esterno è completo; per questo è inerte e non forma composti naturali. Capire la configurazione significa prevedere il comportamento chimico di un atomo.
Ricorda
- Ogni atomo è formato da un nucleo con protoni e neutroni, attorno al quale si muovono gli elettroni.
- Il numero atomico Z identifica l'elemento e corrisponde al numero di protoni; il numero di massa A è la somma di protoni e neutroni.
- Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con un numero diverso di neutroni.
- Gli ioni si formano quando un atomo perde elettroni (catione, positivo) o ne acquista (anione, negativo).
- La tavola periodica ordina gli elementi per Z crescente: gli elementi nello stesso gruppo hanno proprietà simili.
- Gli elettroni di valenza, cioè quelli del livello più esterno, determinano il comportamento chimico dell'atomo.
Piccolo esercizio di verifica (svolgi sul quaderno): considera l'atomo di alluminio, sapendo che ha numero atomico 13 e numero di massa 27. 1. Scrivi quanti protoni, neutroni ed elettroni contiene. 2. Calcola la carica dello ione che si forma se perde 3 elettroni e scrivilo nella forma corretta. 3. Scrivi la sua configurazione elettronica nei tre livelli e individua quanti elettroni di valenza possiede.