Laboratorio di chimica in casa/La struttura degli atomi

Le dimensioni di un atomo

Testo

L'immagine sopra rappresenta un atomo di elio: in nero la zona in cui possono orbitare i suoi due elettroni (più è scura maggiore è la probabilità che vi ci passi) e al centro di essa, ingrandito nel rettangolo nero in alto, è rappresentato il nucleo, formato da due protoni (in rosso) e due neutroni (in blu).
Il diametro del nucleo è circa 10^-15 m (un milionesimo di miliardesimo di metro) e la distanza cui sciamano gli elettroni al perimetro della nuvola nera è circa 10^-10 m (un decimo di miliardesimo di metro) cioè 10 000 volte il diametro del suo nucleo.

Gli elettroni sono anche più leggeri dei protoni: la massa a riposo di un protone è circa 1,672 621·10^-24 g mentre quella dell'elettrone è 1836 volte più piccola, 9,109 382·10^-28 g. Quella del neutrone è uguale alla somma di quella del protone e di quella dell'elettrone: 1,674 927·10^-24 g.

Gli atomi, quei corpuscoli che costituiscono la materia, sono quasi totalmente cavi e formati soltanto da un piccolo nucleo composto da due tipi di particelle: protoni, carichi positivamente, e neutroni, che non sono dotati di carica elettrica ma tengono insieme i protoni nel nucleo come una colla .
Attorno a questo nucleo sciamano a grande distanza e velocità particelle leggere cariche negativamente chiamati elettroni. Essi sono vincolati al nucleo tramite l'attrazione elettrica delle cariche positive dei protoni ma non vi collassano per via della loro altissima velocità (in realtà non solo per quella: anche scagliando elettroni dritti contro il nucleo atomico non vi collasserebbero, ma questo a causa di altri fenomeni fisici. L'importante è ricordare che gli elettroni in atomi stabili non collassano mai sul nucleo).
Ad ogni protone esistente nel'universo è associato un elettrone (legge di conservazione della carica), quindi ogni elemento allo stato normale ha un numero di elettroni che gli orbitano attorno uguale a quello di protoni nel nucleo.

In chimica gli atomi sono divisi in elementi. Ciò che determina di quale elemento si tratta (è un atomo di ferro, di ossigeno, di carbonio ...) è il numero di protoni nel nucleo. A seconda del loro numero l'atomo appartiene ad un elemento diverso ed ha proprietà chimiche diverse.
Gli elementi sulla tavola periodica sono ordinati (da sinistra a destra e dall'alto al basso) in base a questo numero, chiamato numero atomico e spesso abbreviato in Z. Atomi con numero di protoni diverso sono elementi chimici diversi.

Le altre particelle del nucleo, i neutroni, non influenzano le proprietà chimiche dell'elemento ed il loro numero può variare a seconda dell'elemento. Gli atomi atomi chiamati ossigeno per esempio hanno 8 protoni, ma nel loro nucleo possono avere 8, 9 o 10 neutroni. Le sue proprietà chimiche sono sempre quelle dell'ossigeno, ma il peso dei tre isotopi è leggermente diverso. Atomi aventi stesso numero di protoni (quindi lo stesso elemento) ma aventi diverso numero di neutroni si chiamano isotopi ed hanno proprietà chimiche uguali (cioè danno gli stessi identici effetti combinandosi con altre sostanze). Il numero di isotopi è caratteristico di ogni elemento e quando supera un certo numero oppure è troppo basso, il nucleo atomico è instabile e tende a trasformarsi in un altro elemento per decadimento radioattivo. Per questo motivo in natura sono presenti solo un certo numero di isotopi per ogni elemento.

L'idrogeno ha 3 isotopi conosciuti: il prozio, composto da solo 1 protone (che compone il 99,985% dell'idrogeno presente in natura), il deuterio, composto da un protone ed un neutrone (0,015%) ed il trizio, composto da un protone e due neutroni, che però è instabile e si trasforma in elio per decadimento beta con una vita media di 12 anni e 4 mesi. Tutti e tre hanno un solo elettrone.

Numero di isotopi per elemento

Questa tavola periodica evidenzia di un colore diverso gli elementi chimici per numero di isotopi stabili.

██ Nessun isotopo stabile

██ 1 isotopo stabile

██ 2 isotopi stabili

██ 3 isotopi stabili

██ 4 isotopi stabili

██ 5 isotopi stabili

██ 6 isotopi stabili

██ 7 o più isotopi stabili

Per una tabella di tutti gli isotopi, sia stabili che radioattivi, si veda Table of nuclides (complete) su en.Wikipedia. Gli isotopi di ogni elemento chimico sono inoltre riportati nelle voci sugli elementi in it.Wikipedia.

Come detto prima, la carica di ogni protone del nucleo è bilanciata da quella di un numero uguale di elettroni. L'azoto che troviamo nell'aria possiede 7 protoni nel suo nucleo, un numero variabile di 7 o 8 neutroni, e 7 elettroni che orbitano attorno ad esso. Quando un atomo attorno a sé ha un numero di elettroni uguale a quello dei protoni è detto atomo neutro perché non è carico elettricamente (le cariche di elettroni e neutroni si schermano quasi perfettamente negli atomi neutri). Quando esso ha un numero di elettroni maggiore o minore di Z esso è chiamato ione, e più precisamente catione quando è carico positivamente perché gli mancano degli elettroni o anione quando è carico negativamente perché attorno a sé orbitano degli elettroni in più.
Il numero degli elettroni attorno all'atomo influisce sulle sue proprietà chimiche, ma viene considerato sempre lo stesso elemento.

Il numero di neutroni e di protoni di un atomo non cambia durante le reazioni chimiche, delle quali sono gli elettroni i protagonisti assoluti.

Approfondimenti

• Quanto è grande un atomo? - Video su Youtube

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