IL MODELLO ATOMICO
L’ATOMO DI BOHR
GLI ELEMENTI
IL NUMERO ATOMICO
E DI MASSA
IL LEGAME IONICO
IL LEGAME COVALENTE
Già dal IV secolo a.C. alcuni filosofi greci e romani ipotizzarono che la materia non fosse continua,
ma costituita da particelle minuscole e indivisibili. Queste considerazioni derivavano però da semplici
intuizioni filosofiche. I diversi atomi erano supposti differire per forma e dimensioni. L'idea
atomistica fu poi avversata da Aristotele il cui pensiero, successivamente, fu adottato dalla Chiesa
cattolica: per questo motivo bisogna aspettare fino al XIX secolo perché gli scienziati riprendessero in
considerazione l'ipotesi atomica.
Nel 1808, John Dalton spiegò i fenomeni chimici secondo i quali le sostanze sono formate dai loro
componenti secondo rapporti ben precisi fra numeri interi, ipotizzando che la materia fosse costituita
da atomi. Nel corso dei suoi studi Dalton si avvalse delle conoscenze chimiche che possedeva e
formulò la sua teoria atomica, che si fondava su cinque punti:
• la materia è formata da particelle elementari chiamate atomi che sono indivisibili e
indistruttibili;
• gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro;
• gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro in rapporti di numeri interi e generalmente
piccoli dando così origine a composti;
• gli atomi non possono essere né creati né distrutti.
• gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.
Questa viene considerata la prima teoria atomica della materia perché per primo Dalton ricavò le sue
ipotesi per via empirica.
Nel 1897, Joseph John Thomson propose il primo modello fisico dell'atomo:
aveva infatti scoperto un anno prima l'elettrone. Egli immaginò che un atomo
fosse costituito da una sfera di materia caricata positivamente in cui gli
elettroni negativi erano immersi.
Nel 1911, Ernest Rutherford fece un esperimento cruciale per mettere alla
prova il modello di Thomson. Bombardò un sottilissimo foglio di oro, posto fra
una sorgente di particelle alfa e uno schermo al solfuro di zinco. Le particelle,
passate attraverso la lamina, sarebbero rimaste impresse sullo schermo.
L'esperimento portò alla constatazione che i raggi alfa non venivano quasi mai
deviati. Essi attraversavano il foglio di oro senza quasi mai esserne disturbati.
Solo l'1% dei raggi incidenti era deviato dal foglio di oro e lo era in modo
notevole. Sulla base di questo fondamentale esperimento, Rutherford propose
un modello di atomo in cui quasi tutta la massa dell'atomo fosse concentrata in
una porzione molto piccola, il nucleo e gli elettroni gli ruotassero attorno così
come i pianeti ruotano attorno al sole.
ATOMO DI DALTON
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NUVOLA
ELETTRONICA
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ATOMO DI THOMSON
Nel 1913 Niels Bohr propose una modifica concettuale al modello di
Rutherford. Pur accettandone l'idea di modello planetario, postulò che gli
elettroni avessero a disposizione orbite fisse nelle quali non emettevano né
assorbivano energia: in particolare, un elettrone emetteva o assorbiva
energia sotto forma di onde elettromagnetiche solo se effettuava una
transizione da un'orbita all'altra, e quindi passava ad uno stato a energia
minore o maggiore.
Il modello di Bohr spiegava molto bene l'atomo di idrogeno ma non quelli
più complessi. Sommerfeld propose allora una correzione al modello di Bohr
secondo cui si aveva una buona corrispondenza fra la teoria e le
osservazioni degli spettri degli atomi (uno spettro è l'insieme delle
frequenze delle radiazioni elettromagnetiche emesse o assorbite dagli
elettroni di un atomo). Nel 1930 fu scoperto il neutrone per cui si
pervenne presto ad un modello dell'atomo pressoché completo in cui al
centro vi è il nucleo composto di protoni e neutroni ed attorno vi ruotano
gli elettroni.
ATOMO DI
BOHR
NUCLEO
ORBITE
ELETTRONE
In fisica col termine nucleo generalmente si intende la parte centrale, densa, di un
atomo, costituita da protoni che possiedono carica positiva e neutroni di carica nulla,
detti collettivamente nucleoni.
Il nucleo è caratterizzato da diversi parametri di cui i più importanti sono il numero di
massa A, che rappresenta il numero totale di nucleoni presenti, il numero atomico Z che
è il numero di protoni ed il numero neutronico N che rappresenta il numero di neutroni.
Malgrado la presenza di protoni a carica positiva che quindi tra loro si respingono, il
nucleo è mantenuto insieme dalla forza forte che attrae tutte le particelle composte da
quark, come appunto i nucleoni. Tale forza agisce tra i nucleoni in un modo
relativamente simile alla forza di Van der Waals tra le molecole.
Storicamente la prima evidenza sperimentale dell'esistenza del nucleo contenente tutta
la carica positiva degli atomi è stata osservata in seguito ad un esperimento compiuto a
Manchester dal fisico neozelandese Ernest Rutherford. Egli commentando la sua
formidabile scoperta scrisse:
È come se una palla di cannone sparata contro un foglio di carta velina tornasse
indietro
ATOMO DI
BOHR
L'elettrone è una particella subatomica. Possiede una carica elettrica negativa di qe =
1,6 × 10-19 C (carica elementare), e una massa di circa 9,10 × 10-31 kg.
L'elettrone viene comunemente rappresentato dal simbolo e-. L'antiparticella
dell'elettrone è il positrone, che si differenzia solo per la carica elettrica positiva.
Gli atomi presentano un nucleo (formato da protoni e neutroni) circondato da elettroni.
La massa dell'elettrone è circa 1/1836 di quella di neutroni e protoni.
L'elettrone appartiene alla classe delle particelle subatomiche dette leptoni, che si
ritiene siano componenti fondamentali della materia (ovvero non possono essere
scomposte in particelle più piccole).
ATOMO DI
BOHR
Il modello di Rutherford non spiegava come fosse possibile che gli elettroni dell'atomo si muovessero
indefinitamente sulle rispettive orbite, senza dissipare energia e collassare sul nucleo. Il fisico danese
Niels Bohr propose una soluzione al problema, teorizzando che essi non possano occupare qualunque
posizione intorno al nucleo, ma soltanto orbite stazionarie quantizzate, poste a distanze fisse dal
centro. A ogni orbita corrisponderebbe un diverso valore dell'energia dell'elettrone, anch'essa
quantizzata.
ATOMO DI
BOHR
Gli elementi conosciuti fino ad oggi sono circa 112. Alcuni si trovano in natura allo stato
puro, come oro, argento e carbonio, oppure perché si possono separare facilmente dai
loro minerali, come ferro e mercurio. Altri elementi si ottengono artificialmente, questi
sono chiamati elementi artificiali.
Gli atomi degli elementi chimici vengono rappresentati mediante simboli che derivano dal
nome latino dell’elemento.
Se alcuni elementi si combinano tra loro formano i composti.
Nel 1869 il chimico Mendeleev disponendo gli elementi fino ad allora conosciuti in ordine
di peso atomico scoprì che alcune loro proprietà chimiche e fisiche si ripetevano ad
intervalli regolari, in base al peso atomico.
Si formò così la tavola periodica degli elementi.
I SIMBOLI
I COMPOSTI
TAVOLA PERIODICA
DEGLI ELEMENTI
DI MENDELEEV
Cu, Au, N, Hg, Na e K sono esempi di simboli che servono a indicare gli atomi degli
elementi. Indicano:
• CU = rame da cuprum;
• AU = oro da aurum;
• N = azoto da nitrogenum;
• HG = mercurio da hydrargirium;
• NA = sodio da natrium;
• K = potassio kalium.
Spesso le molecole degli elementi sono costituite da due o più atomi dello stesso tipo. In
questo caso vengono rappresentate con il simbolo dell’elemento seguito da un numero
scritto in basso, che indica il numero di atomi che lo costituiscono. Ad esempio, la
molecola di ossigeno viene indicata con O2 che indica che la molecola è costituita da due
atomi di ossigeno.
GLI ELEMENTI
Un composto chimico è una sostanza formata da due o più elementi, con un rapporto fisso
tra di loro che ne determina la composizione. Per esempio l'acqua è un composto chimico
formato da idrogeno e ossigeno in rapporto di due a uno.
In generale, il rapporto fisso deve essere determinato da proprietà chimiche o fisiche,
piuttosto che da arbitrarie selezioni e scelte umane. Pertanto sostanze come ad esempio
l'ottone e la cioccolata, sono considerate miscugli e non composti chimici.
Una caratteristica fondamentale del composto chimico è la sua formula chimica. La formula
descrive il rapporto del numero di atomi nell'unità minima della sostanza. Per esempio, nella
formula H2O (acqua) ci sono due atomi di idrogeno per ogni atomo di ossigeno.
ACQUA
H 2O
CLORURO DI
IDROGENO
Hcl
AMMONIACA
NH3
ANIDRIDE
CARBONICA
CO2
GLI ELEMENTI
Mendeleev disponendo gli elementi orizzontalmente in ordine di peso atomico crescente, rilevò
che partendo da un certo numero di elementi, se ne incontrava uno che aveva le stesse
proprietà di quello di partenza.
Egli chiamò periodi questi insiemi di elementi disposti orizzontalmente e tavola periodica il loro
insieme complessivo.
Mendeleev riuscì a prevedere anche le proprietà chimiche e fisiche di alcuni elementi sulla base
delle proprietà note di altri elementi. La tavola moderna è molto simile a quella dei Mendeleev
ma se ne differenzia per alcuni aspetti fondamentali: gli elementi non sono disposti in base al
loro peso atomico, ma in base al loro numero atomico. Ogni elemento viene inserito in una casella
di forma quadrata o rettangolare. In essa vengono riportati il nome e il simbolo chimico e
vengono forniti alcuni dati significativi, funzionali alla sua identificazione e alla previsione del
suo comportamento fisico e chimico. Si tratta di dati relativi al peso atomico, al numero
atomico, all’ elettronegatività,alla valenza, al comportamento degli ossidi dell’ elemento ecc.
Come si può facilmente rilevare, nelle tavola periodica sono presenti sette periodi disposti
orizzontalmente. Passando dal primo elemento a quelli successivi appartenenti allo stesso
periodo, si osserva una variazione continua e graduale delle loro proprietà. Poiché questa
variazione è del tutto generale, ripetendosi in tutti i periodi essa permette di ordinare gli
elementi in gruppi disposti verticalmente. Ogni gruppo comprende elementi con proprietà molto
simili. I gruppi sono otto, più il blocco dei metalli di transizione.
MENU
L’atomo neutro contiene un numero di elettroni pari a quello dei protoni contenuti nel nucleo. Il numero
di protoni posseduto da un atomo è detto numero atomico Z e caratterizza una specie atomica, o
elemento. Due atomi con diverso valore Z rappresentano due specie chimiche che differiscono per
proprietà e comportamento.
La somma dei protoni Z e dei neutroni N viene indicata con la lettera A. Tale somma è detta numero
di massa, per cui A=Z+N. Quando il simbolo di un elemento viene contrassegnato con il numero
atomico e con il numero di massa, posti rispettivamente in basso e in alto, e alla sua sinistra, l’atomo
prende il nome di nuclide.
NUMERO DI MASSA
SIMBOLO DELL’ ATOMO
NUMERO ATOMICO
C
12
6
Due nuclidi che abbiano diverso numero di massa e stesso numero atomico si dicono isotopi.
Ad esempio, l’idrogeno presenta i due isotopi naturali H prozio e H deuterio. Un terzo isotopo H trizio
è stato preparato artificialmente ed è instabile. Gli isotopi presentano le stesse proprietà chimiche e
fisiche, ma possono differire notevolmente quanto a stabilità nucleare.
Nella maggior parte dei nuclidi presenti in natura il numero dei neutroni eccede quello dei protoni.
Quando due o più atomi si uniscono per formare una molecola, può esserci competizione
per gli elettroni disponibili tale da avere il quasi completo trasferimento d'uno o più
elettroni da un atomo all'altro. In tal modo gli atomi risultano carichi e sono legati
fortemente dalle forze elettrostatiche esistenti tra gli anioni negativi e i cationi
positivi. La formazione di un legame ionico comporta l'asportazione di un elettrone da
un atomo, un processo chiamato ionizzazione, e l'energia necessaria è il potenziale di
ionizzazione di quell'atomo (v. ioni; ionizzazione). L'altro atomo acquista un elettrone e
la misura della sua capacità di farlo è detta affinità elettronica dell'atomo. Quando un
atomo di sodio e uno di cloro interagiscono, per esempio, si forma il sale da cucina.
Il legame chimico è comune nei composti inorganici quali i sali, nei quali le cariche si
collocano facilmente su ioni relativamente piccoli. La formazione di un legame ionico è il
risultato della competizione per gli elettroni disponibili. Una utile misura di questa
proprietà è l'elettronegatività di un atomo. Sono state proposte varie scale relative che
paragonano l'affinità elettronica con il potenziale di ionizzazione di ogni atomo. Un altro
metodo, sviluppato da Linus Pauling, paragona le energie di legame di un atomo in una
serie di composti con l'energia di legame dell'atomo con se stesso. In genere, un
elemento più elettronegativo prenderà una parte maggiore degli elettroni disponibili
quando instaura un legame chimico. Se vi è una grande differenza tra
l'elettronegatività degli atomi di un composto, la ineguale condivisione degli elettroni
darà luogo facilmente al trasferimento completo di uno o più elettroni con formazione di
un legame ionico.
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Na
+
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-
Cl
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-
-
-
Na+
-
-
Cl-
-
-
Il legame covalente si realizza mediante la condivisione di una coppia di elettroni da
parte di due atomi. Ad esempio l’ idrogeno presenta un solo elettrone e un solo
protone, quindi, per diventare stabile ha bisogno di un elettrone e così si combina
con un altro atomo di idrogeno mettendo in comune una coppia di elettroni.
Gli atomi possono combinarsi mediante un legame covalente anche se sono diversi.
Ad esempio l’idrogeno e il cloro. Il cloro presenta 7 protoni e 7 elettroni, quindi,
per completarsi, ha bisogno di un elettrone che viene messo in comune dal cloro e
dall’ idrogeno che ha un solo elettrone.
MOLECOLA DI
IDROGENO
-
H
H
-
CONDIVISIONE
DI ELETTRONI