Introduzione alla struttura dell'atomo e alla tavola periodica degli elementi

Introduzione alla Struttura Atomica e Tavola Periodica

Benvenute e benvenuti, sono Francesca De Vito, una ricercatrice, una biologa molecolare applicata alle neuroscienze, che da anni studia le basi molecolari e cellulari della fisiologia e della patologia del sistema nervoso, con particolare interesse alle alterazioni sinaptiche, tipiche della sclerosi multipla sperimentale e chimica.

In questa lezione vi fornirò alcuni elementi alla base della struttura della materia. Gli argomenti che tratterò sono: l'atomo, i legami chimici e le forze intermolecolari, le macromolecole biologiche.

1. Il primo argomento che affronteremo sarà l'atomo, ma prima di entrare in dettaglio nella struttura vi pongo una domanda. Cosa accomuna questi oggetti apparentemente così diversi?

Oggetti e Materia

Cosa accomuna questi oggetti apparentemente così diversi?

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Qui vediamo un bicchiere con una spremuta d'arancia, una pianta, una sveglia e delle chiavi. Sono composti da materiali differenti, abbiamo del vetro, della plastica, abbiamo del metallo, alcuni sono oggetti inanimati altri sono degli esseri viventi, appunto la pianta, eppure c'è qualcosa che accomuna tutti quanti, qualcosa che è uguale in tutti.Ovviamente sono materia e, in quanto materia, sono composti da atomi e ciascun atomo è composto da un nucleo all'interno del quale possiamo distinguere dei protoni (che sono delle particelle cariche positivamente) e dei neutroni e degli elettroni che invece ruotano intorno al nucleo, carichi negativamente.

Ogni atomo è elettricamente neutro perché il numero di elettroni (carichi negativamente) è uguale al numero di protoni (carichi positivamente)

Caratteristiche delle Particelle Subatomiche

Tab. 1.1 - Caratteristiche delle particelle subatomiche

Particella Massa (g) Carica elettrica Protone 1.6726 × 10-24 +1 Neutrone 1.6749 x 10-24 0 Mangia et al., Basi biologiche dell'attività psichica @ Piccin editore 2020 Elettrone 9.1091 × 10-28 -1

Quindi risulta che l'atomo è elettricamente neutro proprio perché il numero di elettroni e il numero di protoni con carica opposta è uguale, non solo, la massa di un atomo è data principalmente dal nucleo, proprio perché come potete osservare, benché siano molto piccoli e hanno una massa molto piccola, la massa del protone e del neutrone è sensibilmente più grande di quella degli elettroni, circa mille volte più grande, quindi di fatto gli elettroni quasi non pesano nulla, ruotano intorno al nucleo che costituisce il grosso della massa atomica.

Numero Atomico (Z)

Il numero di protoni presenti in un atomo è definito NUMERO ATOMICO (Z)

Es: atomo di carbonio, C

ELETTRONE PROTONE NCCLEO NEUTRONE

Numero di protoni = 6 Numero di elettroni = 6 Z = Numero di atomico C 6Si definisce numero atomico proprio il numero di protoni e viene definito con quella lettera Z, per esempio nella figura qui rappresentata trovate il disegno di un atomo di carbonio, l'atomo di carbonio ha Z uguale a 6 e quindi significa che ha un numero di protoni uguale a 6, proprio perché abbiamo detto che l'atomo e elettricamente neutro, anche il numero di elettroni sarà corrispondente a quello di protoni, quindi sarà 6.

Tavola Periodica degli Elementi

Gli elementi chimici sono ordinati per numero atomico crescente nella TAVOLA PERIODICA (di MENDELEEV)

F - GLEMDIE DITRANKIERE e VOST 12 FR - F Mangia et al., Basi biologiche dell'attività psichica @ Piccin editore 2020

Gli elementi chimici sono ordinati per numero atomico crescente nella tavola periodica che è stata ideata da Mendeleev, un chimico russo alla fine dell'Ottocento, questa tavola è organizzata in righe che sono detti periodi e in colonne che sono detti gruppi.

Gli elementi che hanno caratteristiche simili si trovano proprio nello stesso gruppo, quindi per esempio il sodio e il potassio hanno caratteristiche simili, ad es. quella di formare degli ioni positivi, adesso poi vedremo cosa significa, e lo stesso il fluoro e il cloro che fanno parte dello stesso gruppo, il gruppo 7, anche loro hanno caratteristiche simili, anche loro hanno tendenza a formare ioni, ma in questo caso degli ioni negativi. Uno dei gruppi più conosciuti è quello dei gas nobili che si trovano appunto nell'ultima colonna della tavola periodica, come potete vedere, e contengono l'elio, il neon, l'argon e sono tutti gas che hanno questa caratteristica di non interagire con altri atomi, ma neanche tra di loro e non formano molecole.

Numero di Massa (A)

La somma di protoni e neutroni in un atomo determina il numero di massa, che viene definito con la lettera A, come vedete qui, maiuscolo, questa quindi è un'altra caratteristica importante che dobbiamo vedere presente in un atomo, oltre a quella del numero atomico.

La somma di protoni e neutroni determina il NUMERO DI MASSA (A)

Es: atomo di carbonio, C

ELETTRONE PROTONE Numero di neutroni = 6 Numero di protoni = 6 Numero di elettroni = 6 NELZEO NEUTRONE

A = Numero di massa Z = Numero di atomico 12 C 6

Qui, per esempio, è riportato di nuovo l'atomo di carbonio; l'atomo di carbonio, abbiamo visto che era costituito da 6 protoni e 6 elettroni, nella forma più comune di questo atomo, che è il carbonio 12, ha anche un numero di 6 neutroni ed è rappresentato in questo modo, come vedete, il numero di massa lo trovate in alto a sinistra ed è scritto qui in questo caso 12, il numero atomico è scritto in basso a sinistra, rappresentato come 6, e la lettera C che rappresenta il nostro atomo di carbonio.

Isotopi e Proprietà Atomiche

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento, aventi le stesse caratteristiche chimiche, ma diverse proprietà fisiche (hanno stesso numero atomico ma diverso numero di massa), ad esempio, masse diverse, perché contengono un numero diverso di neutroni. Uno degli esempi che sicuramente conoscerete è il carbonio 12, di cui vi ho parlato, la forma di carbonio più comune, e il carbonio 14, che viene utilizzato spesso per le datazioni dei fossili, quindi è un altro isotopo del carbonio; sono tutti atomi del carbonio, quindi appartengono tutti allo stesso elemento, hanno tutti lo stesso numero atomico, che è 6, quindi lo stesso numero di protoni e di conseguenza di elettroni, perché ricordo che un atomo è neutro, ma hanno un numero di massa diverso, quindi cosa cambia?

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento aventi le stesse proprietà chimiche ma diverse proprietà fisiche (es: masse diverse), perché contengono un diverso numero di neutroni

Es: i tre isotopi dell'idrogeno

neutrone n protone n elettrone prózio 1H deuterio H trizio TH Valitutti et al., Chimica: concetti e modelli 2ed @ Zanichelli editore 2018

Cambia il numero di neutroni, e qui nell'esempio trovate i 3 isotopi dell'idrogeno, quindi un altro caso di isotopi; l'idrogeno, così come lo conosciamo nella forma più diffusa, è rappresentato qui in figura con un protone, infatti vedete che c'è una carica +, positiva, e un elettrone, dove trovate una carica negativa (prozio). Nell'isotopo detto deuterio invece, nel nucleo, oltre a esserci un protone, vi è un neutrone; infatti vedete che è rappresentato con questo "2" grande in alto a sinistra, l'"1" in basso a sinistra, e l'H del simbolo dell'idrogeno. L'ultimo isotopo che è presente in natura dell'idrogeno è detto trizio, e la differenza con gli altri è che presenta addirittura 3 particelle nel suo nucleo, un protone e due neutroni, e qui infatti vedete che è rappresentato: il numero di massa è 3 e il numero atomico è 1.

Orbitali e Livelli Energetici

Gli elettroni si muovono intorno al nucleo e occupano regioni chiamate orbitali (massimo 2 elettroni per ogni orbitale), che sono distribuiti su diversi livelli energetici

Es: atomo di carbonio, C

C 6 Livelli Energetici Numero di neutroni = 6 Numero di protoni = 6 Numero di elettroni = 6

Gli elettroni si muovono intorno al nucleo e occupano delle regioni chiamate orbitali, massimo due elettroni per orbitale possono essere contenuti, che sono distribuiti su livelli energetici diversi; adesso vedremo cosa significa questo che vi ho appena detto. Consideriamo sempre il carbonio, mi soffermo sempre sull'atomo di carbonio perché è uno degli atomi più importanti, che incontreremo spessissimo, perché è l'atomo che è presente in quasi tutte le molecole biologiche e fondamentale per la vita.

Vediamo, l'atomo di carbonio, abbiamo detto che ha 6 elettroni, questi 6 elettroni sono distribuiti su due livelli energetici, nel primo livello energetico possono essere contenuti appunto solo due elettroni e li vediamo qui rappresentati in giallo, nel secondo livello energetico vi sono i restanti elettroni che sono 4.

Il primo livello energetico (più vicino al nucleo) può contenere al massimo 2 elettroni. Il secondo livello energetico può ospitare massimo 8 elettroni

2 He Ne 10 Elio Neon

Abbiamo detto che il primo livello energetico più vicino al nucleo può contenere un massimo di un elettroni, il secondo livello energetico ne può ospitare un massimo di otto e vediamo qui rappresentato in figura l'elio che contiene solo due elettroni ed è, come dicevo, il primo gas nobile nella tavola periodica, nell'ottavo gruppo, il gruppo più esterno e invece a destra è il neon che contiene ben 10 elettroni distribuiti i primi due nel primo livello energetico e gli altri, quindi gli altri 8, nel secondo livello energetico.

Arrivati a conclusione di questa prima sessione vi offro uno spunto di riflessione: come è fatto un atomo?

Legami Chimici e Forze Intermolecolari

2. Il nuovo argomento che tratteremo riguarda i legami chimici e le forze intermolecolari, quindi adesso, dopo aver visto e capito come è strutturato un atomo, andiamo a analizzare come gli atomi si legano tra di loro a formare delle molecole e come queste molecole interagiscono tra di loro mediante forze intermolecolari.

Reattività Chimica degli Atomi

La reattività chimica di un atomo (capacità di interagire chimicamente con altri atomi) dipende dal numero di elettroni mancanti per completare il livello energetico esterno

C 10 Ne

La reattività chimica di un atomo, cioè la capacità di interagire chimicamente con altri atomi, dipende dal numero di elettroni mancanti per completare il livello energetico più esterno, qui in figura vedete rappresentato il nostro amatissimo atomo di carbonio con 4 elettroni nel livello energetico più esterno, che vi ricordo può contenere un massimo di 8 elettroni, e accanto vedete rappresentato il neon, neon che si trova sullo stesso periodo, quindi sulla stessa riga nella tavola periodica dove troviamo il carbonio e che contiene 8 elettroni nel livello energetico più esterno quindi, non avrà necessità, bisogno di formare altri legami e quindi di cercare altri elettroni perché è già energeticamente stabile.