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Lez. n. 1: Gli atomi
La materia, compreso il nostro corpo, è fatta da elementi, l’ossigeno che respiriamo, il carbonio nella cenere del barbecue. Gli elementi si legano a formare sostanze più complesse: le molecole. Gli elementi sono composti da atomi dello stesso tipo, piccole particelle un tempo considerate indivisibili, le particelle più piccole della materia (dal greco atomos = indivisibile).
Tali particelle subatomiche si differenziano, oltre che per la carica elettrica, anche per la massa;
protoni e neutroni presentano quasi la stessa massa, gli elettroni sono molto più piccoli.
Un atomo è formato da un nucleo centrale, costituito da protoni e neutroni, il nucleo è circondato
dagli elettroni in movimento, così come i satelliti che ruotano intorno ad un pianeta.
I protoni ed i neutroni costituiscono quasi tutta la massa dell’atomo,
gli elettroni costituiscono quasi tutto il volume dell’atomo.
Esistono più di 100 elementi, 90 presenti in natura ed i rimanenti sintetizzati dall’uomo, tutti presenti nella Tavola periodica egli elementi.
Puoi trovare la Tavola periodica ai seguenti indirizzi: http://www.webelements.com e http://it.wikipedia.org/wiki/Tavola_periodica
Ogni casella della tavola contiene un elemento, con il suo simbolo, in alto
il numero atomico ed in basso la massa atomica.
I nomi degli elementi spesso derivano dal latino: Na è il sodio e deriva da Natrium,
K è il Potassio e deriva da Kalium, Cu è il Rame e deriva da Cuprium,
N è l’azoto e deriva da Nitrogenum ecc.
Carbonio, Idrogeno, Ossigeno, Azoto, Fosforo e Zolfo sono i principali costituenti
delle molecole biologiche ed insieme a Sodio, Magnesio, Cloro, Potassio e Calcio costituiscono
gli elementi essenziali principali.
Gli elementi essenziali minori sono Cromo, Manganese,
Ferro, Cobalto, Rame, Zinco, Selenio e Iodio, essi sono presenti in piccole quantità
nei tessuti viventi e sono detti anche oligoelementi.
Una carenza di un oligoelemento può provocare disturbi:
la carenza di Iodio nella dieta causa stanchezza e incapacità di sopportare il freddo, perché si produce poco ormone tiroideo;
non è ancora stato provato il ruolo del Cromo nello sviluppo del diabete mellito;
il cromo picolinato è cromo legato a derivati di amminoacidi (picolinato)
e ciò facilita l’assorbimento intestinale del cromo.
Gli atomi possiedono una massa, una proprietà di tutta la materia, maggiore è la massa maggiore è la quantità di materia. La massa di un protone è utilizzata come unità di misura standard della massa degli atomi ed è detta unità di massa atomica (uma) o dal ton (dal nome del chimico inglese John Dalton). Un solo protone o un solo neutrone ha la massa di 1,7 x 10-24 grammi, la massa di un elettrone è 9 x 10-28 grammi.
Gli atomi si differenziano per il numero di protoni presenti nel nucleo ossia per il numero atomico. La massa atomica è data dalla somma della massa dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo dell’atomo, è la media del numero di massa di un campione rappresentativo di atomi di quel elemento. Il numero dei protoni di un atomo è costante mentre il numero dei neutroni è variabile.
Gli isotopi sono appunto atomi di uno stesso elemento che presentano un numero differente di neutroni. Gli isotopi sono instabili ed emettono radiazioni e sono detti radioisotopi e l’energia che emettono è detta radiazione. Le radiazioni che emettono sono di tre tipi: alfa α, beta β e gamma γ; le radiazioni alfa e beta sono costituite da particelle: protoni più neutroni o elettroni in rapido movimento, mentre i raggi gamma sono costituiti da onde ad alta energia, i raggi gamma possono penetrare più in profondità nella materia rispetto ai raggi alfa e beta.
I radioisotopi sono importanti in medicina e nella ricerca e sono utilizzati a scopo diagnostico e terapeutico nella medicina nucleare, dosi anche modeste di radiazioni emesse da isotopi radioattivi possono provocare danni a molecole e cellule, ma le radiazioni emesse dagli atomi di cobalto-60 sono utilizzate per distruggere cellule cancerose in attiva divisione: cobaltoterapia. I radioisotopi possono essere utilizzati anche per la datazione con il carbonio radioattivo per determinare l’età dei fossili.
Gli elettroni non si muovono intorno al nucleo in maniera casuale, ma sono disposti su una serie di livelli energetici, in una regione dello spazio detta orbitale. Gli orbitali formano una serie di gusci o strati elettronici intorno al nucleo.
Il primo livello energetico, quello più vicino al nucleo e con l’energia minore, è detto livello 1 o strato K ed ha un sottolivello 1s con un orbitale di forma sferica.
Gli orbitali possono ospitare al massimo 2 elettroni.
Il secondo livello o L ha due sottolivelli: 2s e 2p, con un totale di 4 orbitali, perché il sottolivello 2p è formato da 3 orbitali; l’orbitale 2s è sempre sferico ma di dimensioni maggiori rispetto a 1s; i 3 orbitali p sono a forma di doppia pera e si orientano secondo gli assi x, y e z.
Il terzo livello M è formato da 3s 3p e 3d, il sottolivello 3d è formato da 5 orbitali, quindi il totale è: 1 + 3 + 5 = 9 orbitali ossia può ospitare 18 elettroni.
Il quarto livello N è formato dal sottolivello 4s e dal sottolivello 4d, che ha 3 orbitali.
La configurazione elettronica più stabile è quella in cui tutti gli orbitali del livello più esterno sono occupati da elettroni. Quando l’orbitale è occupato da 2 elettroni, gli elettroni sono detti appaiati; gli elettroni appaiati sono stabili; gli elementi con strati esterni non riempiti completamente sono chimicamente reattivi, quelli con strati esterni completamente riempiti sono chimicamente inerti, ad esempio i gas nobili.
Gli Orbitali dei primi 3 livelli energetici: 1s - 2s 2p - 3s 3p 3d
Gli elettroni possono assorbire energia dal loro ambiente e “saltare” di uno o più livelli energetici in un orbitale più elevato; gli elettroni molto energetici non sono stabili e possono tornare indietro alla loro posizione orbitale stabile emettendo energia; l’energia rilasciata può essere captata da altri atomi o può essere come radiazione.
Quando un atomo presenta un elettrone spaiato può cederlo ad un altro atomo oppure può avere un elettrone spaiato da un altro atomo.
Schema riassuntivo
Gli atomi sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni;
un atomo che acquista o cede protoni diventa un elemento differente;
un atomo che acquista o cede neutroni si trasforma in un isotopo dello stesso elemento;
un atomo che acquista o cede elettroni si trasforma in uno ione dello stesso elemento.
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