Comprendere la chimica degli atomi e delle molecole

Composizione degli organismi

Come tutti gli organismi, anche noi siamo composti per lo più di atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. L'organizzazione di questi atomi non è casuale: tutti gli atomi che compongono il nostro corpo sono raggruppati in molecole. Una molecola è fatta da due o più atomi legati chimicamente.
Alcune molecole, come i gas idrogeno (H.), ossigeno (O) o azoto (N), sono costituite da due atomi dello stesso elemento e sono dette diatomiche. Più spesso, le molecole sono fatte da due o più elementi diversi: in questo caso sono chiamate composti. L'acqua, per esempio, contiene due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Molti composti biologici, inclusi il DNA e le proteine, sono fatti di decine di migliaia di atomi. Le caratteristiche di un composto possono essere diversissime da quelle dei suoi elementi costitutivi. Prendiamo il cloruro di sodio, o sale da cucina. Il sodio (Na) è un metallo solido argenteo, altamente reattivo, mentre il cloro (CI) è un gas giallo e corrosivo; ma, quando atomi di questi elementi si combinano in numero uguale, il composto che ne risulta forma quei bianchi cristalli di sale che spargiamo sul cibo: ecco un eccellente esempio di proprietà emergente. Un altro esempio è il me tano, il componente principale del gas naturale, fatto da carbonio (un solido nero fuligginoso) e idrogeno (un gas leggero e infiammabile). Gli scienziati descrivono le molecole scrivendo i simboli dei loro elementi costituenti e indicando il numero di atomi di ciascun elemento in pedice. Per esempio, il metano è indicato con CH,, cioè quattro atomi di idrogeno legati a un atomo di carbonio. Questa rappresentazione è chiamata formula molecolare. La formula del sale da cucina è NaCl, quella dell'acqua è H,O e quella del diossido di carbonio è CO,.

Forze e legami chimici

Quali forze tengono insieme gli atomi che costituiscono ciascuna di queste molecole? Per capirlo, dobbiamo prima imparare qualcosa di più. sulla localizzazione degli elettroni intorno al nucleo.
Gli elettroni occupano precisi livelli energetici intorno al nucleo. Sono costantemente in moto, per cui è impossibile determinare la posizione esatta di un elettrone in un dato istante: i chimici parlano di orbitali per descrivere la più probabile posizione di un elettrone rispetto al suo nucleo. Ogni orbitale può contenere fino a due elettroni; di conseguenza, se un atomo ha più elettroni saranno occupati più orbitali. Gli orbitali elettronici hanno diversi livelli di energia. Gli orbitali appartenenti a uno stesso livello sono detti guscio; il loro numero determina il numero di elettroni che possono occupare quel livello. Il guscio corrispondente al livello energetico più basso, per esempio, contiene solo un orbitale e può quindi essere occupato al più da due elettroni. Il livello successivo contiene fino a otto elettroni, distribuiti in quattro orbitali. Gli elettroni occupano il più basso livello energetico disponibile, a partire da quello più interno. Man mano che i gusci si riempiono, ogni elettrone che si aggiunge deve andare sul guscio successivo. Possiamo quindi visualizzare gli elettroni di un atomo come se occupassero una serie di livelli energetici concentrici, ciascuno con energia maggiore di quello più interno. In questo modello, che si rifà al modello atomico, gli elettroni sono spesso illustrati come puntini che si muovono lungo circonferenze bidimensionali intorno al nucleo. Queste illustrazioni, sono utili per visualizzare le interazioni e la formazione di legami fra atomi. Tuttavia, il modello di Bohr non è una rappresentazione perfetta della struttura tridimensionale degli atomi. Gli atomi sono stabili quando il loro guscio più esterno è completo. I gas clio (He) e neon (Ne), per esempio, sono inerti: dato che i loro livelli energetici esterni sono completi, infatti, non si combinano spontaneamente con altri atomi.

Stabilità degli atomi

La maggior parte degli atomi, però, ha il guscio più esterno occupato solo in parte: per raggiungere la stabilità, allora, gli aromi possono condividere, acquistare o cedere elettroni. Il risultato è un legame chimico, una forza attrattiva che tiene insieme gli atomi.