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L’atomo

Vari esperimenti condotti fra la fine del 1800 e l’inizio del 1900 dimostrarono che gli atomi non sono indivisibili, ma costituiti da particelle più piccole (elementari).
Gli atomi, e quindi tutta la materia, sono costituiti principalmente da tre particelle fondamentali: elettroni, protoni e neutroni.
Il modello atomico attuale: l’atomo è costituito dal nucleo del quale sono presenti protoni e neutroni (privi di carica). E intorno al nucleo ruotano gli elettroni.

La scoperta degli elettroni diede a Thomson,
la possibilità di elaborare un primo modello atomico.
Nel 1897, secondo Thomson, l’atomo era una sfera dotata di una carica positiva diffusa, con gli elettroni distribuiti al suo interno come le uvette in un panettone, per questo il suo modello atomico viene chiamato ‘modello a panettone’. Questo modello spiegava correttamente la trasformazione di un atomo in ione con la perdita o l’acquisto di elettroni, ma venne ben presto abbandonata dai fisici per un fallimento di uno storico esperimento.

Dopo Thomson ci fu Rutherford, creando il modello planetario avendo un nucleo al centro, costituito da un certo numero di protoni e interno gli elettroni, descrivendo orbite circolari o ellittiche casuali. Rutherford, inoltre, ipotizzò che ogni elettrone fosse sottoposto a due forze contrapposte in perfetto equilibrio che impedisce ad esso di cadere sul nucleo. Ma si dimostrò insoddisfacente, sia dal punto di vista teorico sia da quello sperimentale.

Successivamente, nel 1913, Bohr propone un modello atomico a strati basato sul concetto di quantizzazione dell’energia, in base alla teoria quantistica gli elettroni possono assorbire o perdere energia solo in quantità discrete. Di conseguenza, l’energia degli elettroni all’interno degli atomi è quantizzata, cioè che può assumere solo alcuni valori. All’interno di un atomo gli elettroni possono percorrere solo determinate orbite circolari nettamente separate tra loro (orbite stazionarie) e caratterizzate ciascuna da una definita quantità di energia (livello energetico). Di norma occupano il livello energetico più basso (livello fondamentale), e ruotano nella corrispondente orbita senza perdere energia.

Il modello planetario, prevede l’esistenza del nucleo e quindi permette di introdurre due concetti fondamentali: quelli di numero atomico e numero di massa.
Il numero atomico è il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo e questo numero non cambia mai.
Il numero di massa (o peso atomico) è la somma del numero di protoni e del numero di neutroni presenti nel nucleo di un atomo.

Per ione si intende un atomo o un raggruppamento di atomi che ha assunto una o più cariche elettriche mediante perdita (ioni positivi o cationi) o acquisto (ioni negativi o anioni) di uno o più elettroni.
Gli isotopi sono atomi con pari numero di elettroni e protoni, ma un numero diverso di neutroni.

Negli anni Venti del XX secolo maturò una nuova visione della realtà atomica, che prese il nome di meccanica quantistica. Si intuì l’esistenza di due diversi livelli di realtà: il mondo macroscopico della nostra esperienza quotidiana, in cui valgono le leggi della meccanica classica e il mondo atomico e subatomico, non descrivibile con le leggi della fisica tradizionale, ma con leggi diverse.
Per ricostruire l’orbita percorsa da un elettrone dovremmo conoscere in ogni istante la sua posizione e la sua velocità. Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma, tuttavia, che è impossibile determinare contemporaneamente con certezza queste due grandezze: la precisione di una misurazione dell’una è tanto minore quanto maggiore è la precisione con cui viene misurata l’altra.

Decade il concetto di orbite e viene sostituito con orbitale. L’orbita è quindi una zona dello spazio intorno al nucleo in cui la probabilità di trovare un elettrone è molto elevate, almeno uguale al 90%.
Ogni orbitale possiede caratteristiche specifiche, che sono le sue dimensioni, la sua forma e la sua orientazione nello spazio, definite dai valori che vengono assegnati ad alcuni parametri: I numeri quantici principale, angolare e magnetico.
In ogni atomo si hanno quindi dei ben definiti livelli energetici e ad ogni livello energetico possono esistere solo ben definiti tipi di orbitale (in un numero ben preciso). Il numero quantico di spin è il quarto numero quantico. Esso riguarda l'elettrone, e può assumere soltanto due valori:+½ e = -½.

Secondo il principio di esclusione di Pauli, in un atomo non possono esistere due elettroni con i medesimi quattro numeri quantici e quindi un orbitale può contenere al massimo due elettroni, con spin anti parallelo (due elettroni che hanno spin diverso).

Si possono rappresentare le configurazioni elettroniche degli elementi in due modi diversi: il sistema della notazione spettroscopica fa uso di un numero da(1 a 7) per indicare il livello, di una lettera (s,p,d,f) per precisare il sotto livello e di un esponente per specificare il numero di elettroni presenti nell’orbitale; nel diagramma a caselle gli elettroni sono rappresentati da frecce e gli orbitale a quadretti.
La regola di Hund: in uno stesso sotto livello gli elettroni tendono a occupare il maggior numero di orbitali degeneri possibile, singolarmente e con il medesimo spin.

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