Atomo

L’atomo è una delle entità fondamentali componenti la materia; rappresenta l’unità più piccola da cui dipendono tutte le caratteristiche e le proprietà degli elementi di cui sono fatti gli oggetti comuni. Il modello atomico moderno è costituito principalmente dalle seguenti particelle subatomiche:

  • elettrone: il quale possiede la più piccola quantità di carica elettrica negativa finora osservata, pari (ma di segno opposto) a quella del protone, capace di caratterizzare sensibilmente la natura e le proprietà chimiche degli elementi. L’elettrone presenta una massa circa 2000 volte inferiore rispetto a quella di un protone (1/1836). Il principio di minima energia afferma che gli elettroni occupano sempre l’orbitale vuoto ad energia più bassa;
  • protone: il quale possiede la più piccola quantità di carica positiva finora osservata in natura (\(1,6\cdot 10^{-19}\) coulomb) e massa pari a \(1,67\cdot 10^{-24}\) g;
  • neutrone: il quale non possiede carica elettrica e presenta una massa dello stesso ordine di grandezza del protone.

Gli atomi non hanno un contorno limite ben definito, in quanto la distanza degli elettroni rispetto al nucleo varia in ogni istante ed è influenzata dalle condizioni energetiche dell’atomo, in particolare aumenta all’aumentare della temperatura e diminuisce in seguito alla formazione di un legame chimico.

Il raggio atomico di un atomo è definito come la metà della distanza internucleare tra due atomi in legame covalente dello stesso elemento. La dimensione del raggio atomico dipende, in modo inversamente proporzionale, soprattutto dalla carica efficace dell’elemento: all’aumentare della stessa, il raggio atomico diminuisce. Nella tavola periodica esso diminuisce quindi lungo il periodo e aumenta lungo il gruppo. Non tutti gli elementi di transizione seguono l’andamento periodico, ma sono eccezioni di trascurabile deviazione. I lantanoidi e gli attinoidi subiscono, rispettivamente, la contrazione lantanoidea e la contrazione attinoidea.

I gas nobili fanno eccezione: due atomi dello stesso gas nobile non possono infatti legarsi covalentemente tra loro, ma sono tenuti uniti dalle deboli forze di Van der Waals, per cui la distanza internucleare è maggiore, e conseguentemente, anche il raggio atomico.

Un atomo risulta elettricamente neutro quando possiede tanti elettroni quanti protoni, per cui le sue cariche negative compensano (neutralizzano) esattamente le sue cariche positive. Un atomo neutro può acquistare uno o più elettroni, diventando in questo modo uno ione negativo (anione) oppure può perdere uno o più elettroni, diventando uno ione positivo (catione).

Peso atomico

Si definisce peso atomico di un elemento chimico quel numero, adimensionale, che esprime il rapporto tra la massa media degli atomi dell’elemento considerato ed una massa campione (detta unità di massa atomica) pari ad 1/12 della massa di un atomo del nuclide \(_{6}^{12}\textrm{C}\). Da questa definizione risulta intanto che la massa atomica del nuclide \(_{6}^{12}\textrm{C}\) equivale esattamente a 12,0000.

Il berillio (Be), formato da atomi tutti uguali, ha peso atomico 9,012. Ciò significa che un atomo di berillio pesa 9,012 volte in più dell’unità chimica di massa. In generale, tuttavia, gli atomi di un elemento non hanno tutti la stessa massa, in quanto esistono due o più isotopi di quasi tutti gli elementi. Pertanto, il peso atomico di un dato elemento è un valore medio che tiene conto delle diverse masse degli isotopi che lo compongono e delle loro abbondanze.

Ad esempio, il carbonio ha due isotopi: \(^{12}\textrm{C}\) e \(^{13}\textrm{C}\), con abbondanze 98,89% e 1,11% rispettivamente. Le masse invece sono: 12,0000 e 13,0034, rispettivamente. Per calcolare il peso atomico del carbonio è necessario determinare i rispettivi contribuiti dei due isotopi. Questi contributi si ottengono moltiplicando la frazione dei due isotopi per le rispettive masse, quindi:

\((0,9889\cdot 12,0000)+(0,0111\cdot 13,0034)=11,8668+0,1443=12,011\)

Un altro esempio è il cloro, che ha un peso atomico di 35,453 ed è composto da due isotopi \(^{35}\textrm{Cl}\) e \(^{37}\textrm{Cl}\). La massa del \(^{35}\textrm{Cl}\) è pari a: 34,969 e quella del \(^{37}\textrm{Cl}\) è pari a: 36,966. Calcoliamo l’abbondanza percentuale dei due isotopi.

Indicando con \(x\) la frazione di \(^{35}\textrm{Cl}\), poiché vi sono solo due isotopi, la quantità \(1-x\) rappresenta la frazione di \(^{37}\textrm{Cl}\). I prodotti: \(x\cdot 34,969\) e \((1-x)\cdot 36,966\) rappresentano i contributi dell’isotopo \(^{35}\textrm{Cl}\)  e \(^{37}\textrm{Cl}\) rispettivamente, al peso atomico del cloro. Pertanto otterremo che:

\(x\cdot 34,969 + (1-x)\cdot 36,966 = 35,453\)

da cui:

\((34,969\cdot x) + 36,966-(36,966\cdot x) = 35,453-1,977\cdot x =-1,513\)

e quindi:

\[x=0,757\]

\[(1-x)=0,242\]

Per cui l’abbondanza percentuale del \(^{35}\textrm{Cl}\) è 75,7 e quella del \(^{37}\textrm{Cl}\) è 24,2.