Elettroni, protoni e neutroni
Tutto è fatto di atomi. Per molto tempo si pensò che l'atomo non si potesse dividere. Poi gli scienziati scoprirono particelle ancora più piccole al suo interno.
- Elettrone (e⁻): scoperto da J. J. Thomson nel 1897. Carica −1. Molto leggero: circa 1/1836 della massa di un protone. Si muove fuori dal nucleo.
- Protone (p⁺): scoperto studiando i raggi canale (E. Goldstein, 1886). Carica +1. Massa di circa 1 u.
- Neutrone (n): scoperto da J. Chadwick nel 1932. Nessuna carica. Massa di circa 1 u, un po' più di quella del protone. Ogni atomo ha neutroni, tranne l'idrogeno comune.
Un atomo ha tanti protoni quanti elettroni. Le cariche + e − si annullano, quindi l'atomo intero non ha carica (è neutro).
I modelli dell'atomo: Thomson, Rutherford e Bohr
Il modello di Thomson
Thomson disse che l'atomo è una palla di carica positiva. Gli elettroni stanno dentro, come i semi in un'anguria. Le cariche positive e negative sono uguali, quindi l'atomo è neutro. Problema: non riusciva a spiegare il risultato di Rutherford.
L'esperimento di Rutherford con le particelle alfa
Rutherford lanciò particelle alfa veloci (nuclei di elio, carica +2) contro un foglio d'oro sottilissimo. Vide tre cose:
- La maggior parte delle particelle alfa passò dritta. Quindi gran parte dell'atomo è spazio vuoto.
- Alcune deviarono di piccoli angoli. Quindi nell'atomo c'è una carica positiva che le respinge.
- Pochissime (circa 1 su 12.000) tornarono indietro. Quindi tutta la carica positiva e quasi tutta la massa stanno in un centro piccolissimo, il nucleo.
Il suo modello: un nucleo positivo minuscolo, con gli elettroni che girano intorno come i pianeti intorno al Sole. Il nucleo è circa 100.000 volte più piccolo dell'atomo. Problema: una particella carica che si muove in cerchio dovrebbe perdere energia e cadere nel nucleo. Allora gli atomi non sarebbero stabili. Invece lo sono.
Il modello di Bohr
Niels Bohr risolse il problema. Disse che gli elettroni possono muoversi solo su certe orbite fisse, chiamate gusci o livelli di energia. Finché è in un guscio, l'elettrone non perde energia. I gusci si chiamano K, L, M, N (oppure n = 1, 2, 3, 4) andando verso l'esterno.
I gusci K, L, M, N: come sono disposti gli elettroni
Regole per i primi 20 elementi (schema di Bohr–Bury):
- Il guscio n può contenere al massimo 2n² elettroni: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
- Il guscio più esterno non può contenere più di 8 elettroni.
- Prima si riempiono i gusci interni. Un nuovo guscio comincia solo quando il precedente è pieno (per i primi 20 elementi).
Esempi: carbonio (6) = 2, 4. Sodio (11) = 2, 8, 1. Cloro (17) = 2, 8, 7. Calcio (20) = 2, 8, 8, 2. Apri il passo 4 del 3D per vedere i gusci del sodio riempirsi uno alla volta.
Valenza, numero atomico e numero di massa
Valenza
Gli elettroni del guscio più esterno si chiamano elettroni di valenza. Gli atomi preferiscono avere il guscio esterno pieno (8, oppure 2 per l'elio). Questo si chiama ottetto. Gli atomi con il guscio esterno pieno, come neon e argon, non reagiscono, quindi la loro valenza è 0.
Valenza = la capacità di combinarsi di un atomo = quanti elettroni cede, prende o condivide per avere il guscio esterno pieno.
- Se gli elettroni esterni sono da 1 a 4: valenza = numero di elettroni esterni. Sodio (2, 8, 1) → 1. Magnesio (2, 8, 2) → 2.
- Se gli elettroni esterni sono da 5 a 7: valenza = 8 − elettroni esterni. Ossigeno (2, 6) → 8 − 6 = 2. Cloro (2, 8, 7) → 1.
Numero atomico (Z)
È il numero di protoni nel nucleo. Decide l'elemento. Ogni atomo di carbonio ha Z = 6. In un atomo neutro, gli elettroni sono uguali a Z.
Numero di massa (A)
Protoni e neutroni insieme si chiamano nucleoni. Numero di massa = protoni + neutroni. Quindi neutroni = A − Z. Scriviamo un atomo così: ₆¹²C, con A in alto e Z in basso.
Isotopi e isobari
Isotopi
Atomi dello stesso elemento (stesso Z) con numeri di massa diversi (numero di neutroni diverso). L'idrogeno ne ha tre: prozio ¹H (0 neutroni), deuterio ²H (1 neutrone), trizio ³H (2 neutroni). Il cloro ha ³⁵Cl e ³⁷Cl.
Gli isotopi hanno gli stessi elettroni, quindi le stesse proprietà chimiche. Le loro masse sono diverse, quindi alcune proprietà fisiche cambiano.
Perché la massa del cloro è 35.5 u? In natura circa 3 atomi di cloro su 4 sono ³⁵Cl e 1 su 4 è ³⁷Cl. Media = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.
Usi: l'uranio-235 come combustibile nei reattori nucleari, il cobalto-60 per curare il cancro, lo iodio-131 per curare il gozzo, il carbonio-14 per scoprire l'età degli oggetti antichi.
Isobari
Atomi di elementi diversi (Z diverso) con lo stesso numero di massa. Esempio: ⁴⁰₁₈Ar e ⁴⁰₂₀Ca. Hanno elettroni diversi, quindi proprietà chimiche diverse.
Prova tu: costruisci un atomo a casa
Prendi tre tipi di piccoli oggetti di colori diversi: perline rosse (protoni), piselli neri (neutroni) e chicchi gialli (elettroni). Disegna su un foglio tre cerchi per K, L, M.
- Scegli un elemento, per esempio l'ossigeno: Z = 8, A = 16.
- Metti al centro 8 rossi e 16 − 8 = 8 neri.
- Metti 8 gialli sui cerchi: 2 su K, 6 su L.
- Prevedi la valenza (8 − 6 = 2). Poi controllala nel 3D: ultimo passo, scegli Ossigeno-16.
Ora cambia 2 piselli neri aggiungendone altri 2. Hai appena fatto un isotopo! L'elemento non è cambiato, perché il numero di rossi è lo stesso.
Formule e definizioni chiave
- Numero atomico Z = numero di protoni = numero di elettroni (atomo neutro)
- Numero di massa A = protoni + neutroni
- Neutroni = A − Z
- Massimo di elettroni nel guscio n = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- Valenza = elettroni esterni (se 1–4) oppure 8 − elettroni esterni (se 5–7)
- Massa atomica media = somma di (massa dell'isotopo × frazione)
Esempi svolti
1. Un atomo ha 9 protoni e 10 neutroni. Trova Z, A e il numero di elettroni.
Passo 1: Z = protoni = 9. Passo 2: A = 9 + 10 = 19. Passo 3: l'atomo è neutro, quindi gli elettroni sono 9. È il fluoro.
2. Scrivi la distribuzione elettronica dell'ossigeno (Z = 8) e trova la sua valenza.
Passo 1: K ne prende 2, ne restano 6. Passo 2: L prende 6. Quindi 2, 6. Passo 3: gli elettroni esterni sono 6, più di 4. Valenza = 8 − 6 = 2.
3. Il magnesio ha Z = 12 e A = 24. Trova neutroni, distribuzione e valenza.
Neutroni = 24 − 12 = 12. Distribuzione: K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. Gli elettroni esterni sono 2, quindi la valenza è 2.
4. Il cloro ha Z = 17. Perché la sua valenza è 1 e non 7?
Distribuzione 2, 8, 7. Gli serve solo 1 elettrone in più per arrivare a 8. Prenderne 1 è più facile che cederne 7, quindi valenza = 8 − 7 = 1.
5. Quali coppie sono isotopi e quali isobari? ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca.
¹²C e ¹⁴C: stesso Z (6), A diverso → isotopi. ⁴⁰Ar e ⁴⁰Ca: stesso A (40), Z diverso → isobari.
6. Un elemento X ha due isotopi: ¹⁶X (90%) e ¹⁸X (10%). Trova la sua massa atomica media.
Media = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.
7. Nell'esperimento di Rutherford, perché pochissime particelle alfa tornarono indietro?
Solo una particella alfa che passava molto vicina al nucleo minuscolo sentiva una forte spinta dalla sua carica positiva. Il nucleo è così piccolo che pochissime particelle si avvicinavano tanto. Quindi pochissime tornarono indietro.
Errori comuni
- Confondere numero atomico e numero di massa. Z conta solo i protoni; A conta protoni e neutroni.
- Scrivere 7 come valenza del cloro. Quando gli elettroni esterni sono da 5 a 7, valenza = 8 − elettroni esterni.
- Pensare che gli isotopi abbiano un numero diverso di protoni. Gli isotopi differiscono solo nei neutroni; gli isobari differiscono nei protoni.
- Mettere 18 elettroni nel guscio M del potassio. Per i primi 20 elementi il guscio più esterno ne contiene al massimo 8, quindi il potassio è 2, 8, 8, 1.