Esplorazione della chimica: atomi, elementi e legami chimici

La chimica si occupa della composizione e della struttura della materia, cioè, tutto ciò che occupa un spazio.

Struttura degli atomi

Tutta la materia è fatta di molecole e cioè particelle che mantengono ancora le caratteristiche della sostanza da cui provengono. Le molecole, a loro volta, sono formate da atomi,che non hanno più le proprietà della sostanza di origine. In passato si pensava che questi fossero i più piccoli “mattoncini” con cui è costruita la materia e quindi indivisibili (dal greco àtomos= “indivisibile”). Si è scoperto, invece, gli atomi sono costituiti da particelle ancora più piccole: gli elettroni, i protoni e i neutroni. E neppure i protoni e i neutroni sono particele elementari: consistono, infatti, di quark, la più piccola parte di materia finora scoperta. I protoni e i neutroni hanno approssimativamente la stessa massa, mentre gli elettroni hanno una massa ancora più piccola (circa 1800 volte minore di quella di un neutrone o protone). I protoni e i elettroni hanno carica elettrica,la stessa in valore assoluto, ma positiva per i protoni e negativa per gli elettroni. I neutroni, invece, sono privi (come dice il nome) di qualsiasi carica elettrica. In ogni atomo, i neutroni e i protoni sono raggruppati nel centro, detto nucleo, mentre gli elettroni ruotano attorno,senza posa e a grande velocità, legati al nucleo mediante una forza elettrica attrattiva. Gli atomi sono elettricamente neutri. Ogni atomo,infatti,contiene in ugual misura elettroni e protoni sicché, tutte queste cariche si bilanciano e si annullano a vicenda. Il numero di elettroni (o dei protoni) di un atomo prende il nome di numero atomico: ogni tipo di atomo ha un diverso numero atomico e in base a questa loro caratteristica vengono classificati.

Elementi chimici e loro simboli

In natura vi sono 92 tipi di atomi diversi: gli atomi di ciascun tipo hanno un diverso numero atomico, da 1 a 92. Perciò sono 92 anche gli elementi chimici, cioè le sostanze semplici costituite da atomi dello stesso tipo. Ciascun elemento possiede determinate caratteristiche chimiche e fisiche. Gli elementi chimici si indicano con un simbolo,costituito da una o due lettere,derivate dal loro nome latino. L’atomo più semplice è quello dell’idrogeno,costituito soltanto da 1 protone e 1 elettrone che gli gira attorno (numero atomico = 1). Vi sono poi altri tipi di atomi, con numeri atomici fino a 109,che sono stati ottenuti artificialmente,alcuni dei quali solo di recente e in quantità piccolissime. Oltre che al numero atomico,le varie specie di atomi differiscono per la loro massa,chiamata massa atomica (o peso atomico). Questa non viene espressa in chilogrammi (per evitare di avere a che fare con numeri troppo piccoli) ma in unità di massa atomica (in sigla uma). Questa unità corrisponde approssimativamente alla massa di un protone o di un neutrone (il valore esatto è di 1 uma è 1/12 della massa di un atomo di carbonio).

Proprietà dei metalli e non metalli

Gli elementi chimici si suddividono in metalli, non metalli e gas nobili. I metalli sono lucenti e a temperatura ambiente sono solidi (tranne il mercurio che è liquido). Essi conducono bene il calore e l’elettricità perché alcuni elettroni possono muoversi facilmente nel loro interno. I non-metalli, invece, sono opachi e fragili allo stato solido;conducono poco il calore e l’elettricità,perché i loro elettroni sono strettamente legati ai nuclei. Sia i metalli che i non metalli partecipano alla formazione di numerose sostanze composte. Esiste invece un gruppo di elementi che non si combinano con gli altri. Essi vengono detti gas nobili per questa loro caratteristica e per il fatto di trovarsi tutti,alla temperatura ambiente, allo stato gassoso.

Tavola periodica degli elementi

I vari elementi hanno proprietà diverse tra di loro. Essi tuttavia possono essere suddivisi in gruppi, che sono caratterizzati da proprietà chimiche e fisiche simili. La classificazione oggi usata prende il nome di tavola periodica degli elementi;essa deriva da quella proposta oltre un secolo fa dal chimico russo Dimitrij Ivanovic Mendeleev. In questa tabella gli elementi sono ordinati secondo il numero atomico. La tabella si chiama ”periodica” perché le caratteristiche degli elementi si ripetono periodicamente in ogni riga (detta periodo) della tabella in modo tale che gli elementi che si trovano in ciascuna colonna possiedono proprietà fisiche e chimiche simili fra di loro,formando così un gruppo. Si distinguono 8 gruppi principali di elementi, ciascuno con determinate proprietà in comune.

Se si fanno reagire elementi di diverso tipo, si ottengono sostanze non più semplici, ma bensì sostanze composte, fatte di atomi diversi. Il numero delle sostanze composte che si possono ottenere combinando gli atomi dei 92 elementi è enorme. Quasi tutte le sostanze con cui abbiamo a che fare normalmente (ad. esempio lo zucchero,i medicinali) sono sostanze composte. E lo sono anche quelle che costituiscono la materia vivente. Si usa indicare una sostanza (composta) con la formula chimica, una notazione che esprime il numero degli atomi contenuti nella data sostanza e la composizione delle molecole che la formano.

Legami chimici e valenza

I legami chimici sono dovuti a forze elettriche. Essi sono di due tipi: legame ionico e covalente. Se un atomo cattura degli elettroni da altri atomi,si tratta di legame ionico. In questo caso,l’atomo che ha perso degli elettroni viene detto ione positivo,perché in quello vi è una maggioranza di protoni; se invece un atomo acquista degli elettroni viene detto ione negativo, perché in quello vi è una maggioranza di elettroni. Si parla invece di legame covalente quando gli atomi che formano una molecola mettono in comune degli elettroni. Tutto ciò dipende dal numero degli elettroni che gli atomi possiedono e cioè dal loro numero atomico. Il numero di elettroni che un atomo può scambiare con gli altri atomi prende il nome di valenza. La valenza di un atomo rappresenta perciò la sua capacità di combinarsi con altri atomi. Per capire perché certe sostanze reagiscano fra loro e altre no,bisogna tener conto di un’altra proprietà degli atomi. Infatti gli atomi dei metalli hanno la tendenza a catturarli. Si capisce allora che un metallo si legherà facilmente a un non metallo. In generale,gli elementi che si trovano in uno stesso gruppo della tavola periodica hanno proprietà chimiche simili perché tendono a cedere o a catturare uno stesso numero di elettroni. I gas nobili, invece, non hanno la tendenza né a cedere né a catturare elettroni:per questa ragione danno luogo soltanto raramente alla formazione di composti chimici. Inoltre, la distinzione fra metalli e non metalli non è netta, perché certi elementi, come il carbonio, a volte cedono, altre volte catturano elettroni. Del resto, infine, vi sono degli elementi con più di una valenza.