vCOME SONO FATTI GLI ATOMI - LE PROPRIETÀ ELETTRICHE DELLA MATERIA, LE PARTICELLE SUBATOMICHE, UN MODELLO PER LA STRUTTURA DEGLI ATOMI, IL NUME

COME SONO FATTI GLI ATOMI

1 - LE PROPRIETÀ ELETTRICHE DELLA MATERIA

Una proprietà fondamentale della materia è la carica elettrica, di cui possiamo avere due cariche:quella positiva e quella negativa. Inoltre la carica elettrica si può trasferire da u7n corpo all'altro, manifestando, così, forze di attrazione e forze di repulsione: cariche elettriche dello stesso segno si respingono mentre cariche di segno opposto si attraggono. L'intensità di queste forze dipende dalla quantità di carica e dalla distanza tra le cariche. L'unità di misura della carica elettrica è il coulomb (c).

2 - LE PARTICELLE SUBATOMICHE

Nel 1830, il fisico M. Faraday, provò, attraverso lo studio degli effetti del passaggio di corrente elettrica nelle soluzioni acquose, che gli atomi e le molecole contenevano cariche elettriche. Ci fu un'altra grande scoperta quando si studiarono gli effetti del passaggio delle cariche elettriche attraverso i gas. ESPERIMENTO: un tubo di vetro chiuso porta alle estremità due placche metalliche chiamate elettrodi e contiene neon. Quando si collegano i due elettrodi con un generatore capace di accumulare sugli elettrodi stessi una quantità sufficiente di elettricità appare una scintilla molto luminosa che corre da un elettrodo all'altro. Se si riduce il gas, la scintilla se e si ottiene una luce rossastra detta luce al neon. Sottraendo ancora gas al tubo fino a ridurre la pressione interna a un milionesimo di bar, la luce sparisce e e all'estremità opposta all'elettrodo con carica negativa, una debole luce fluorescente( 12.3). Così si può affermare che :

a - la fluorescenza è data dall'impatto sul vetro di radiazioni, detti raggi catodici, perché provengono dal catodo, elettrodo con cariche negative. L'elettrodo con cariche positive viene chiamato anodo;

b - i raggi catodici  sono costituiti da cariche negative, uguali tra loro e di massa minore all'atomo dell'idrogeno;

c - qualunque metallo costituisca il catodo e qualunque sia il gas usato, i raggi emessi sono sempre uguali.

Tutti gli atomi di tutti gli elementi sono formati da particelle più piccole, identiche con uguale carica negativa: gli elettroni. Nel 1909 R. Millikan dimostrò che la carica dell'elettrone è la più piccola possibile ed è :1,60217733.10(-l9) C. Dato che la materia è neutra si pensò che gli atomi contenessero altre particelle ma di segno positivo e grazie ad un esperimento, in cui venne utilizzato uno strumento simile al tubo a raggi catodici, si osservò che alcune particelle si muovevano attratte dall'elettrodo negativo e quindi di carica positiva. Infatti i raggi catodici colpivano molecole di gas strappando loro uno o più elettroni. Così, delle molecole, rimanevano solo delle particelle di carica positiva che erano attratte dal catodo contrario a quelli degli elettroni. ( 12.4). Queste particelle, che avevano massa diversa a seconda del tipo di gas usato, vennero chiamate :protoni: la sua massa è maggiore di quella dell'elettrone ma la sua carica risulta la stessa.

Così possiamo affermare che l'atomo è formato da protoni ed elettroni; inoltre possiamo dire che la materia risulta neutra perché gli atomi che la costituiscono hanno lo stesso numero di protoni e elettroni. Infine, nel 1932, Chadwick affermò che esisteva anche un'altra particella, la cui massa era uguale a quella del protone e era neutra: così fu chiamata neutrone. Queste tre particelle vengono chiamate particelle subatomiche:

a - le particelle subatomiche sono uguali tra loro;

b - i protoni e i neutroni hanno la stessa massa mentre gli elettroni sono più piccoli;

c - i protoni e gli elettroni hanno la stessa massa ma di segno di contrario;

d - gli atomi sono neutri perché il numero dei protoni e degli elettroni è uguale mentre il numero dei neutroni può variare.

3 - UN MODELLO PER LA STRUTTURA DEGLI ATOMI

Furono effettuati molti esperimenti per scoprire un modello atomico. Uno dei primi modelli fu proposto nel 1911 dal fisico E. Rutherford; egli costruì un apparecchiatura allo scopo di "bombardare" con particolari proiettili(particelle alfa) una sottile lamina metallica (oro + malleabile). Le particelle alfa, emesse da elementi radioattivi,avevano una massa di 4u, sono cariche positivamente e possono essere sparate a grande velocità. Da questo esperimento ne risultò che: la maggioranza delle particelle attraversare la lamina senza deviare dalla loro traiettoria retta ma alcune subivano una deviazione mentre altre venivano addirittura deviate ( 12.5). Così arrivò a questa conclusione: l'atomo è una sfera vuota. Infatti ipotizzò che tutti i protoni fossero concentrati in un volume piccolissimo all'interno dell'atomo cosicché soltanto le poche particelle alfa venute a trovarsi durante la loro traiettoria vicine al nucleo potevano subire una forza di repulsione capace di deviarle o respingerle. Questo modello fu chiamato modello nucleare o etario che ha i seguenti aspetti fondamentali:

a - gli atomi sono formati da un nucleo nel quale si trovano i protoni e i neutroni, ossia la massa dell'atomo;

b - la dimensione di un atomo è determinata dagli elettroni che ruotano intorno al nucleo, molto velocemente e a grandissima distanza. Inoltre dobbiamo sapere che il diametro del nucleo è 10(4)-l0(5) volte più piccolo del diametro dell'atomo per cui si può dire che il nucleo è vuoto.

4 - IL NUMERO ATOMICO

Nonostante si siano approfonditi gli studi, il punto fondamentale del modello etario non è stato messo in discussione: gli elettroni ruotano intorno al nucleo.

La conservazione della massa nelle trasformazioni chimiche è il risultato della conservazione degli atomi;il nucleo non viene coinvolto nelle trasformazioni chimiche perché è protetto dagli elettroni, i quali determinano i cambiamenti che caratterizzano le reazioni chimiche e sono responsabili del trasferimento delle cariche elettriche. Proprio perché il nucleo rimane sempre intatto, possiamo dire che nel nucleo contenuta l'identità chimica di ogni atomo. Quindi i protoni identificano gli atomi di ciascun elemento (oro=79 protoni + 1 = mercurio).

il numero di protoni costituisce l'identità chimica di un atomo e viene chiamato numero atomico (Z); dato che ogni elemento è formato da atomi uguali, il numero atomico è caratteristico di ciascun elemento ( 12.9)

5 - ATOMI UGUALI MA . DIVERSI: GLI ISOTOPI

Mentre il numero dei protoni identifica gli atomi dei vari elementi, i neutroni  danno stabilità al nucleo e sono uniti ai protoni attraverso forze chiamate forze nucleari. I neutroni c0ontribuiscono anche a determinare la massa dell'atomo. Esistono, però, atomi uguali con massa diversa: nel nucleo è determinato il numero di protoni ma non di neutroni. Quindi, due atomi dello stesso elemento hanno lo stesso numero atomico Z ma se la loro massa è diversa, è diverso il numero di neutroni.

il numero che si ottiene sommando i protoni e i neutroni di un atomo viene definito numero di massa e indicato con la lettera A.

Vengono chiamati ISOTOPI gli atomi dello stesso elemento(stesso numero atomico) che contengono un diverso numero di neutroni (diverso numero di massa). ES:  magnesio (Z=12) con A=24 e magnesio con A=25. ES2: IDROGENO (prozio(1)), deuterio (2) e trizio (3).

Numero di massa -> A (n°protoni + n° neutroni)

Numero atomico  -> Z (n° protoni + n° elettroni)

6 - IL PROBLEMA DEL PESO ATOMICO

Non è possibile fare riferimento alla massa di un atomo di un elemento perché quello stesso elemento è formato da atomi che pesano diversamente. Così nel 1961 fu scelto un particolare isotopo, il carbonio-l2, e alla sua massa fu assegnato il valore esatto di 12u. di conseguenza, la massa campione, l'unità di massa atomica, viene fatta corrispondere alla dodicesima parte della massa dell'isotopo (12)C.

Un altro problema creato dagli isotopi fu il fatto che se gli atomi degli elementi non sono tutti uguali, non avrebbe un senso parlare di peso atomico. Per fortuna si è scoperto che in natura gli elementi sono costituiti da una miscela di isotopi presenti in una percentuale costante. Pertanto, il peso atomico di un elemento che si ricava sperimentalmente è un valore medio, che tiene conto appunto della massa dei singoli isotopi e della percentuale con cui essi sono presenti (TAB. 12.3 - )

ES: carbonio-l2 massa isotopo=12 percentuale di abbondanza=98,89

Carbonio-l3 massa isotopo=13,00 percentuale di abbondanza=1,11

Massa media= (12u . 98,89) + (13,00 . 1,11) / 100 = 12,01 u