Struttura atomica

Gli atomi sono i mattoni fondamentali di tutto ciò che ci circonda. Sono disponibili in diversi tipi, chiamati elementi, ma ogni atomo ha alcune caratteristiche in comune. Tutti gli atomi hanno un nucleo centrale denso chiamato nucleo atomico. Il nucleo è formato da due tipi di particelle: i protoni, che hanno una carica elettrica positiva, e i neutroni, che non hanno carica. Tutti gli atomi hanno almeno un protone nel loro nucleo, e il numero di protoni determina che tipo di elemento è un atomo. Per esempio, un atomo di ossigeno ha 8 protoni. Se si riuscisse in qualche modo a cambiare il numero di protoni di questo atomo a 7, anche se tutto il resto rimanesse uguale, non sarebbe più un atomo di ossigeno, sarebbe azoto. Per questo motivo, elenchiamo i diversi elementi in base al loro numero protonico, o atomico. La tavola periodica degli elementi è una tabella di tutti gli elementi che sono stati scoperti finora, in ordine per il loro numero atomico.

Oltre a protoni e neutroni, tutti gli atomi hanno elettroni, particelle caricate negativamente che si muovono nello spazio che circonda il nucleo nucleare caricato positivamente. Gli elettroni sono solitamente rappresentati nei disegni come molto più piccoli dei protoni o dei neutroni perché la loro massa è molto più piccola. Infatti, la massa degli elettroni è così piccola che non viene contata nella massa di un atomo. Tuttavia, la forza di carica di un singolo elettrone è uguale a quella di un singolo protone, e nonostante la loro piccola massa, gli elettroni sono importanti per bilanciare la carica di un atomo. A meno che non sia specificato diversamente, gli atomi hanno sempre lo stesso numero di elettroni dei protoni; pertanto, è possibile trovare il numero di elettroni guardando il numero atomico. Ma a differenza dei protoni, il numero di elettroni può cambiare e lo fa senza influenzare il tipo di elemento che un atomo è!

Ora sappiamo come trovare il numero di protoni e il numero di elettroni per un dato atomo, ma che dire dei neutroni? Quanti neutroni hanno gli atomi di un dato elemento? NON è sempre uguale al numero di protoni ed elettroni. Per esempio, l’idrogeno ha un protone e un elettrone, ma non ha nessun neutrone! Lo determiniamo guardando la massa atomica. Anche se un atomo è così piccolo che ce ne vorrebbero quasi un milione perché tu possa vedere anche solo un puntino sullo schermo del tuo computer, ogni piccolo atomo ha sicuramente una massa e occupa spazio. Questa massa proviene dal nucleo. Ogni protone e neutrone ha circa la stessa quantità di massa, misurata in dalton, o unità di massa atomica (amus). Poiché l’unità di misura è definita da un protone, 1 protone = 1 neutrone = 1 dalton = 1 amu. Gli elettroni hanno una certa massa, ma è quasi 2000 volte meno della massa di un protone. Non ci sono abbastanza elettroni in nessuno degli atomi che conosciamo per influenzare la massa totale; quindi, la massa totale è uguale alla somma dei protoni e dei neutroni in un atomo.

Poiché possiamo trovare il numero di protoni e la massa atomica di un atomo guardando le informazioni sul suo elemento nella tavola periodica, possiamo calcolare il numero di neutroni in quell’atomo sottraendo il numero di protoni dalla massa atomica.

Quando il numero di neutroni è diverso per i singoli atomi dello stesso elemento, ogni atomo è chiamato isotopo. Quando leggi una tavola periodica, la massa atomica elencata è la massa atomica media per tutti gli isotopi di quell’elemento che si trovano in natura. Per esempio, il carbonio ha una massa atomica di 12,01 nella tavola periodica. Il carbonio non può avere 6,01 neutroni perché non si può avere parte di un neutrone. Il valore supera 6 perché, mentre la maggior parte degli atomi di carbonio ha 6 neutroni, alcuni atomi di carbonio si trovano con 7 neutroni e altri con 8 neutroni. Per i nostri scopi, arrotondiamo la massa atomica al numero intero più vicino per calcolare il numero di neutroni.

Struttura atomica

Questo video illustra come gli atomi e i loro componenti lavorano insieme.

Elettroni di valenza

Ora che hai avuto la possibilità di lavorare con gli atomi in generale, scaviamo un po’ più a fondo. Gli elettroni rimangono in un atomo a causa della loro attrazione per la carica positiva dei protoni, ma non sono strettamente associati all’atomo come i protoni o i neutroni. Gli elettroni sono particelle complicate perché hanno molto spazio da occupare in un atomo, eppure sono anche legati ad un’area specifica all’interno dell’atomo. Anche se i disegni con cui abbiamo lavorato mostrano il nucleo come un oggetto di medie dimensioni e visibile al centro di un atomo, in realtà è molto piccolo, e la maggior parte di un atomo è lo spazio intorno al nucleo in cui si muovono gli elettroni.

A causa della loro carica negativa condivisa, gli elettroni si respingono a vicenda se si avvicinano troppo. Allo stesso tempo, gli elettroni sono attratti dalla carica positiva del nucleo. I dettagli dell’energia e della posizione degli elettroni possono diventare molto complicati, ma ci concentreremo solo su ciò che dobbiamo capire per studiare le molecole della vita.

Gli elettroni sono disposti in gusci di energia (detti anche gusci elettronici) attorno al nucleo atomico. Anche se gli elettroni hanno molto spazio, tutti vogliono essere più vicini alla carica nucleare positiva che li attrae. Allo stesso tempo, gli elettroni si respingono a vicenda a causa della loro carica negativa, e solo alcuni possono avvicinarsi al nucleo in qualsiasi momento. In pratica, solo due elettroni possono stare nello spazio tridimensionale più vicino al nucleo. Questo spazio è chiamato il primo guscio energetico. Se ci sono tre elettroni in un atomo, i primi due si troveranno nel primo guscio energetico. Il terzo elettrone dovrà accontentarsi del secondo guscio energetico, uno spazio tridimensionale un po’ più lontano dal nucleo, dove sarà solo. In questo esempio, l’elettrone solitario è chiamato elettrone di valenza, e il guscio energetico più esterno che contiene qualsiasi elettrone è chiamato guscio di valenza.

Il secondo guscio energetico è abbastanza grande da contenere fino a otto elettroni, raggruppati in coppie all’interno di quattro orbitali elettronici, o spazi dove gli elettroni trascorrono la maggior parte del loro tempo. Questo significa che se c’è solo un elettrone nel secondo guscio energetico, c’è un sacco di spazio in più.

Quando un guscio energetico è riempito in modo incompleto, l’elettrone (o gli elettroni) in quel guscio non sono così stabili e hanno maggiori probabilità di reagire. Per questo motivo, gli atomi tendono a reagire con altri atomi in modi che riempiono o svuotano il loro guscio di valenza per ottenere la stabilità di un guscio energetico più esterno pieno. Gli atomi possono fare questo guadagnando o perdendo elettroni per diventare ioni o condividendo elettroni con altri atomi per formare associazioni stabili.

Utilizzando il numero di elettroni e i gusci di energia, possiamo determinare il numero di elettroni di valenza per ogni dato atomo e il suo livello atteso di reattività. Mentre lavorate con l’esempio qui sotto, dovreste ricordare che anche se disegniamo i gusci di energia come cerchi intorno al nucleo atomico, questo non è inteso a rappresentare un reale percorso degli elettroni. Lo stile a cerchi concentrici di disegnare i gusci di energia è inteso a rappresentare la distanza media degli elettroni in quel guscio di energia che orbitano intorno al nucleo. In realtà, gli elettroni non si muovono in un’orbita circolare come raffigurato nel disegno, ma percorrono percorsi molto più complicati intorno a un nucleo atomico.