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La struttura dell'atomo

L'atomo ha al centro un nucleo minuscolo, pesante e positivo, fatto di protoni e neutroni. Gli elettroni si muovono intorno in gusci fissi: K, L, M, N. Il numero di protoni (Z) dice di quale elemento si tratta; protoni + neutroni danno il numero di massa (A). Gli elettroni più esterni decidono la valenza. Gli isotopi hanno lo stesso Z; gli isobari hanno lo stesso A.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Conosciamo le tre particelle minuscole. Il protone rosso è +1. Il neutrone grigio non ha carica. L'elettrone blu è −1 ed è leggerissimo.
  2. L'idea di Thomson (1904): l'atomo è una palla positiva. Gli elettroni sono incastrati dentro, come i semi in un'anguria.
  3. Rutherford lanciò particelle alfa contro un sottile foglio d'oro. La maggior parte passò dritta. Poche deviarono. Pochissime tornarono indietro. Quindi al centro c'è un nucleo minuscolo, pesante e positivo.
  4. L'idea di Bohr: gli elettroni si muovono solo in gusci fissi K, L, M. Guardali riempirsi. Il sodio ha 11 elettroni: 2 in K, 8 in L, 1 in M.
  5. Guarda il guscio più esterno. I suoi elettroni sono gli elettroni di valenza. Il sodio cede il suo unico elettrone esterno, quindi la sua valenza è 1.
  6. Tocca a te! Scegli un atomo qualsiasi. Vedi protoni, neutroni, gusci e valenza calcolati riga per riga. Confronta il carbonio-12 con il carbonio-14 (isotopi) e l'argon-40 con il calcio-40 (isobari).

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Se l'elettrone è così leggero, perché è importante?

La sua massa è minuscola, ma la sua carica (−1) è grande quanto quella di un protone. Gli elettroni decidono come un atomo si lega agli altri atomi.

Che cosa non andava nel modello a «anguria» di Thomson?

Se la carica positiva fosse sparsa dappertutto, le particelle alfa non tornerebbero mai indietro. Rutherford ne vide alcune tornare indietro, quindi la carica positiva deve essere concentrata in un nucleo minuscolo.

Perché la maggior parte delle particelle alfa passò dritta attraverso l'oro?

Perché gran parte dell'atomo è spazio vuoto. Il nucleo è circa 100.000 volte più piccolo dell'atomo, quindi la maggior parte delle particelle non gli passa mai vicino.

Perché gli elettroni non cadono nel nucleo?

Bohr disse che gli elettroni restano in gusci fissi e, finché sono in un guscio, non perdono energia. Quindi continuano a muoversi e non cadono dentro.

Perché la valenza del cloro è 1 e non 7?

Il cloro è 2, 8, 7. Prendere 1 elettrone per arrivare a 8 è molto più facile che cederne 7. Quindi valenza = 8 − 7 = 1.

Se gli isotopi hanno neutroni diversi, sono elementi diversi?

No. L'elemento è deciso solo dai protoni (Z). Il carbonio-12 e il carbonio-14 hanno entrambi 6 protoni, quindi sono entrambi carbonio. Provali tutti e due nell'ultimo passo.

Perché la massa atomica del cloro è 35.5 e non un numero intero?

È una media dei suoi isotopi ³⁵Cl (circa 75%) e ³⁷Cl (circa 25%): 35 × 0.75 + 37 × 0.25 = 35.5.

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.

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:

  1. La maggior parte delle particelle alfa passò dritta. Quindi gran parte dell'atomo è spazio vuoto.
  2. Alcune deviarono di piccoli angoli. Quindi nell'atomo c'è una carica positiva che le respinge.
  3. 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):

  1. 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.
  2. Il guscio più esterno non può contenere più di 8 elettroni.
  3. 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.

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.

  1. Scegli un elemento, per esempio l'ossigeno: Z = 8, A = 16.
  2. Metti al centro 8 rossi e 16 − 8 = 8 neri.
  3. Metti 8 gialli sui cerchi: 2 su K, 6 su L.
  4. 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

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

Quiz di allenamento

1. Quale particella non ha carica?
2. Nell'esperimento di Rutherford la maggior parte delle particelle alfa passò dritta. Questo dimostra che:
3. Il numero massimo di elettroni nel guscio M è:
4. La valenza dello zolfo (2, 8, 6) è:
5. ⁴⁰Ar e ⁴⁰Ca sono:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Com'è fatto un atomo?

Un atomo ha un nucleo minuscolo e positivo fatto di protoni e neutroni, con gli elettroni che si muovono intorno in gusci fissi K, L, M e N (modello di Bohr).

Qual è la differenza tra isotopi e isobari?

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento, con lo stesso numero atomico ma numeri di massa diversi. Gli isobari sono atomi di elementi diversi con lo stesso numero di massa.

Come si trova la valenza dalla distribuzione degli elettroni?

Conta gli elettroni del guscio esterno. Se sono da 1 a 4, quel numero è la valenza. Se sono da 5 a 7, valenza = 8 meno quel numero. Un guscio esterno pieno significa valenza 0.

Dove si studia

Canada (Ontario)Grade 9C. Chemistry
NetherlandsVWO 3 (onderbouw)Substances and particles
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Substances and materials
NetherlandsVWO 4 (bovenbouw, 2e fase)Substances and materials
PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIInternal structure of matter
RomaniaClasa a IX-aThe electron shell of the atom
RomaniaClasa a IX-aThe electron shell of the atom
Spain2º ESOMatter
Spain3º ESOMatter
Spain4º ESOMatter
Ukraine8 класStructure of the atom
Ukraine9 класAtomic and nuclear phenomena
CBSE (India)Class 9Matter – Its Nature and Behaviour
CBSE (India)Class 9Advanced Level (optional): Chemistry
England (GCSE, A level)Year 104.1 Atomic structure and the periodic table
England (GCSE, A level)Year 105.1 Atomic structure and the periodic table
England (GCSE, A level)Year 106.4 Atomic structure
England (GCSE, A level)Year 104.4 Atomic structure
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 9Matter
Japan高校1年Composition of substances
South Korea중학교 2학년Composition of matter
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 8Compounds and the nucleus-shell atom model
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 8Compounds and the nucleus-shell atom model
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atomic structure and the periodic table
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atomic structure and the periodic table
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atoms
FranceTroisièmeMatter and its changes
FranceSecondeMatter
Russia8 классPeriodic law, atom, bonding
Russia8 классPeriodic law, atom, bonding
Russia8 классElectric and magnetic phenomena
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia9 классQuantum phenomena
Russia9 классQuantum phenomena
China九年级(初三)U3 Composition of matter
China九年级(初三)Structure of matter (standard 1.3)

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