Concetti Chiave
- Gli atomi sono composti da un nucleo centrale molto piccolo e da elettroni che si muovono attorno ad esso, creando uno spazio prevalentemente vuoto.
- La massa dell'atomo è concentrata nel nucleo, mentre il volume è determinato dalla posizione degli elettroni che orbitano attorno al nucleo.
- Gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni, e sono identificati tramite il numero di massa.
- La composizione isotopica di un elemento è determinata mediante spettrometria di massa, che analizza la deflessione degli ioni in un campo magnetico.
- I primi diciotto elementi della tavola periodica includono atomi come idrogeno, elio, carbonio e azoto, con cariche neutre quando protoni ed elettroni sono in equilibrio.
Struttura atomica e movimento degli elettroni
Gli atomi possono essere considerati come sfere di diametro 100÷500 pm (1pm = 1.10-12 m), consistenti in un nucleo e in uno o più elettroni.
Gli elettroni, di massa piccolissima, in numero tale da neutralizzare la carica positiva nucleare non sono mai in quiete, ma si muovono rapidamente attorno al nucleo, delimitando così lo spazio atomico.
La massa dell'atomo è determinata dal nucleo, mentre il suo volume, è dipendente dalla distanza alla quale gli elettroni ruotano attorno al nucleo.
Gran parte dell'atomo è spazio vuoto. Il volume della sfera atomica è occupato da un piccolissimo nucleo, che si trova al centro, e dagli elettroni che gli ruotano attorno.
Lasciamo da parte, il punto debole di questa interpretazione cioè come fanno gli elettroni carichi negativamente a muoversi attorno al nucleo carico positivamente senza perdere energia elettromagnetica e cadere di conseguenza sul nucleo. In pratica come mai abbiamo molti atomi stabili.
Vediamo per ora gli aspetti importanti che emergono da questa teoria.
Composizione del nucleo atomico
L’atomo ha un nucleo centrale molto piccolo (raggio 10-14 - 10-15m) in cui è concentrata quasi tutta la massa, mentre in un volume relativamente molto più grande di raggio circa 10-10m sono situati gli elettroni. Ogni elettrone ha carica elettrica negativa pari a 1,602 10-19C (coulomb) ed una massa di 9,109 10-28 g(grammi). La massa nel nucleo è distribuita soprattutto tra due tipi di particelle, i protoni (di massa 1,6726 10-24 g), che posseggono anche una carica elettrica positiva (1,602 10-19 C), e i neutroni di massa 1,6749 10-24 g) che non possiedono carica elettrica.
Isotopi e spettrometria di massa
Atomi con numero uguale di protoni o, come più spesso diciamo, con lo stesso numero atomico Z, sono chimicamente uguali e, come abbiamo detto, sono circa 118 (92 sono naturali gli altri sintetizzati).
Per quanto riguarda gli atomi ottenuti con reazioni nucleari, gli ultimi a mia conoscenza sono quelli con Z= 112 114 e 116, ma potrebbero averne sintetizzato altri. Se atomi chimicamente uguali (con lo stesso Z) contengono numero differente di neutroni sono isotopi. Essi vengono individuati col numero di massa che è la somma del numero di protoni Z e del numero di neutroni. Il numero di massa è indicato con A. Per esempio, il neon Ne Z= 10 ha tre isotopi con numero di massa A = 20, 21 e 22 che possiamo indicare come i nuclidi 20Ne, 21Ne e 22Ne potremmo anche mettere sotto il numero di massa il numero atomico Z= 10. In tal caso per il primo nuclide scriveremmo 2010Ne ma come abbiamo detto tutti i nuclidi con Z uguale appartengono allo stesso elemento chimico (quindi questi con Z = 10 sono individuati dal simbolo Ne e scrivere il pedice 10 è superfluo).
L’esistenza degli isotopi e la composizione isotopica viene determinata attraverso lo spettrometro di massa. Nello spettrometro un filamento riscaldato elettricamente emette elettroni che determinano la ionizzazione dell’elemento. Gli ioni positivi vengono accelerati tramite una alta differenza di potenziale e successivamente deflessi da un campo magnetico che li costringe a percorrere una traettoria circolare. L’entità della deflessione dipende dal rapporto q/m (carica/massa). Le particelle più pesanti subiscono una minore deflessione e dalla posizione dei punti di impatto dei fasci di ioni su una lastra si risale alla loro massa. A parità di carica, le particelle di massa diversa sono gli isotopi dell’elemento. Misurando l’intensità dei fasci si stabilisce la composizione isotopica.
Primi elementi della tavola periodica
I primi diciotto atomi sono: idrogeno H, elio He, litio Li, berillio Be, boro B, carbonio C, azoto N, ossigeno O fluoro F, neon Ne, sodio Na, magnesio Mg, alluminio Al, silicio Si, fosforo P, zolfo S, cloro Cl, argo Ar.
Gli atomi neutri hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni (per esempio il citato settimo elemento, azoto N, ha sette protoni nel nucleo e sette elettroni fuori dal nucleo) quindi gli atomi complessivamente non hanno carica elettrica.
Gli atomi che hanno perso uno, due o tre elettroni danno ioni positivi o cationi con carica elettrica positiva pari 1,602 10-19 C moltiplicato il numero di elettroni persi o più semplicemente pari a +1 o +2 o +3 (dove abbiamo posto 1,602 10-19 coulomb uguale ad 1). Analogamente atomi che hanno acquistato elettroni sono diventati ioni negativi o anioni generalmente con carica -1 o -2.
Domande da interrogazione
- Qual è la composizione di un atomo e come si distribuiscono le sue parti?
- Come si determina la massa di un atomo?
- Cosa sono gli isotopi e come vengono identificati?
- Qual è il principio di funzionamento dello spettrometro di massa?
- Come si formano gli ioni e quali tipi esistono?
Un atomo è composto da un nucleo centrale molto piccolo, che contiene quasi tutta la massa, e da elettroni che ruotano attorno a esso in uno spazio relativamente grande. Gli elettroni hanno carica negativa e la loro massa è trascurabile rispetto a quella del nucleo.
La massa di un atomo è determinata principalmente dalla massa del nucleo, che è composto da protoni e neutroni, mentre il volume dell'atomo è influenzato dalla distanza degli elettroni dal nucleo.
Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni. Vengono identificati attraverso il numero di massa, che è la somma del numero di protoni e neutroni.
Lo spettrometro di massa ionizza un elemento tramite elettroni emessi da un filamento riscaldato, accelerando gli ioni positivi e deflettendoli in un campo magnetico. La deflessione dipende dal rapporto carica/massa, permettendo di determinare la massa degli isotopi.
Gli ioni si formano quando gli atomi perdono o acquistano elettroni. Gli atomi che perdono elettroni diventano cationi (ioni positivi), mentre quelli che ne acquistano diventano anioni (ioni negativi).
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