L'ATOMO E LA TEORIA ATOMICA.
Proviamo a fare un riassunto semplice della teoria atomica e della struttura atomica.
Democrito e il suo maestro Leucippo furono i primi ad usare la parola atomo (dal greco a-temno, indivisibile), attribuendo ad essa un significato filosofico.
La prima teoria atomica, basata su leggi e prove scientifiche, fu formulata nel 1808 da Dalton, che, in base alle tre leggi fondamentali della chimica allora conosciute, e cioè la legge della conservazione della massa, la legge delle proporzioni definite e la legge delle proporzioni multiple (quest'ultima enunciata dallo stesso Dalton), arrivò alla conclusione che la materia è formata da atomi; in altri termini, la materia non è come la vediamo, e cioè continua (come ad esempio la superficie della scrivania, o del pavimento, o di un qualsiasi altro oggetto visibile), ma è discontinua, ed è formata da atomi.
La teoria di Dalton - in sintesi - dice che:
- la materia non è continua, ma è composta da particelle, dette atomi, che non sono divisibili o trasformabili (in effetti, oggi sappiamo che effettivamente la materia non è continua, ma composta da atomi, e però gli atomi sono non solo divisibili (fissione nucleare -> bomba atomica -> energia nucleare), ma anche trasformabili (radioattività naturale e radioattività artificiale);
- gli atomi di un dato elemento sono tutti eguali tra di loro ed hanno la stessa massa (ed invece, sappiamo che molti elementi chimici sono formati da isotopi, e cioè da atomi che hanno lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa);
- gli atomi di differenti elementi hanno massa e proprietà diverse (vero!);
- le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi e non tra frazioni di essi (vero!);
- in una reazione chimica tra due o più elementi gli atomi, pur conservando la propria identità, si combinano secondo rapporti definiti dando luogo a composti (vero!).
In definitiva, la teoria di Dalton, anche se non esattamente vera relativamente ai punti 1 e 2, ha dato un notevole contributo alla conoscenza della natura e struttura dell'atomo.
Successivamente si è scoperto che la natura della materia non è neutra, come ci appare, ma è elettrica, e cioè gli atomi sono formati da particelle subatomiche (e cioè più piccole dell' atomo) cariche positivamente, dette protoni, e da un ugual numero di particelle cariche negativamente, dette elettroni, e quindi l'atomo solo complessivamente può essere considerato neutro. In seguito, è stato scoperto anche il neutrone, particella con massa 1 e carica zero, perché formata da un protone ed un elettrone. I neutroni svolgono un compito importantissimo: agiscono da collante tra i protoni del nucleo, assicurandone la stabilità.
Ma come stanno assieme protoni, elettroni e neutroni nell' atomo? Secondo Bohr, gli elettroni ruotano attorno al nucleo e percorrono orbite stazionarie, e non acquistano né perdono energia fin quando stanno su di esse; invece, cedono energia quando saltano da un'orbita superiore ad una inferiore, e acquistando energia nel salto inverso. L'energia scambiata è una quantità ben definita, "quantizzata", perché uguale alla differenza dei valori energetici, costanti, delle due livelli Il modello atomico di Bohr va bene per spiegare solo il comportamento dell' idrogeno, ma oggi la meccanica ondulatoria spiega esattamente il comportamento di tutti i 108 della moderna Tavola Periodica.
Per scrivere la configurazione elettronica di un elemento occorre conoscere il principio di Aufbau (costruzione progressiva), il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund. Infine Scrodinger disse che, anziché di orbita, è più esatto parlare di orbitale, definito come la porzione di spazio in cui abbiamo la probabilità del 90% di trovare un elettrone.
(dal libro di Giorgia e Giulia). Esaminiamo ora i 4 numeri quantici:
- il numero quantico principale n, che definisce la dimensione dell'orbitale, e rappresenta il livello di energia (livello 1, il più vicino al nucleo; livello 2, quello successivo, e così via; quindi, i valori di n sono 1, 2, 3, 4, ... n;
- il numero quantico secondario l, che può assumere tutti i valori che vanno da 0 a n-1, e che esprime la forma dell'orbitale (sferica, ellittica, ecc.);
- il numero quantico magnetico m, che può assumere tutti i valori che vanno da 0 a n-1, e che esprime l'orientamento dell'orbitale;
- numero quantico, detto spin, che definisce il senso di rotazione dell' elettrone; se orario, spin = + 1/2; se antiorario, spin = - 1/2.
La configurazione elettronica di un elemento chimico è data dalla disposizione degli elettroni negli orbitali s, p, d, f, tenendo presente che ogni orbitale può contenere al massimo 2 elettroni, e che gli orbitali vengono riempiti in base a tre principi:
1) il principio di Aufbau, e cioè secondo l'energia crescente degli elettroni;
2) il principio di esclusione di Pauli, secondo il quale ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni, purché di spin opposto;
3) la regola di Hund, secondo la quale, quando devono essere riempiti orbitali aventi la stessa energia (detti orbitali degeneri), ad esempio gli orbitali p, gli elettroni si dispongono prima con spin parallelo ovvero uno per orbitale e, solo se il loro numero lo consente, vanno successivamente a saturare gli orbitali.
Facciamo qualche esempio. Poi studieremo più estesamente la configurazione elettronica degli elementi.
He (Z=2) -> 1s2;
Li (Z=3) -> 1s2 2s1;
Be (Z=4) -> 1s2 2s2;
B (Z=5) -> 1s2 2s2 2px1;
C (Z=6) -> 1s2 2s2 2px1 2py1;
N (Z=8) -> 1s2 2s2 2px1 2p1y 2p1y;
F (Z=9) -> 1s2 2s2 2px2 2p2y 2p1y;
Link interessanti:
- STRUTTURA DELL’ATOMO (Video)
- Configurazione elettronica, da “Chimica online”
- Esercizi sulla struttura dell’atomo
