Chimica e chimica biologica - modelli atomici

Lezione 1: i modelli atomici

Materia ed elementi

Materia: tutto ciò che occupa uno spazio.

Elementi: sostanza fondamentale da cui tutte le altre traggono origine. Un elemento è formato da un'unica specie di atomi.

Elementi dell'atomo

Numero atomico (Z): numero di protoni in un atomo.

• Numero di massa (A): massa dell'atomo espressa in unità di massa atomica.
• Isotopi: atomi con numero atomico uguale ma numero di massa diverso.

Z definisce l'elemento: diversi isotopi del carbonio si chiameranno quindi sempre carbonio ma differiscono nel numero di massa.

Prove sperimentali a prova del modello atomico

Modello di Thompson (del panettone)

• L'atomo è qualcosa di compatto in cui c'è una carica positiva concentrata con disseminate nella parte solida che la circonda delle cariche positive.
• Thompson calcola la massa dell'elettrone, 1800 volte inferiore a quella dell'idrogeno.
• Come ordine di grandezza per le dimensioni si usano il nanometro o l'Å (10^-9 m).

Modello di Rutherford (1908)

• Per Thompson l'atomo è pieno, questo viene confutato dall'esperimento di Rutherford che prende un fascio di particelle α con cui bombarda una lamina d'oro sottilissima.
• La stragrande maggioranza dei fasci di particelle α raggiungeva lo schermo posto dietro alla lamina: essa è in gran parte vuota, in particolare gli atomi lo sono.
• Le deviazioni sono questioni di natura elettrica, i raggi sono deviati da qualche altra particella carica negativamente (gli elettroni) che le andava a respingere.
• Quelle completamente riflesse erano date dall'interazione con i nuclei positivi, repulsione.
• Il nucleo è nell'ordine di dimensione di 10^-15 m, la massa atomica è concentrata nel nucleo e all'esterno è prevalentemente vuota.

Come mai protoni ed elettroni non si attraggono? Gli elettroni dovrebbero cadere sul nucleo. Invece, gli elettroni hanno delle orbite attorno al nucleo in modo che la forza centrifuga bilanci la forza di attrazione. Ma ruotando, gli elettroni dovrebbero perdere continuamente energia, portandolo a rallentare e cadere sul nucleo. Rutherford non spiega perché questo non succede, gli mancavano le basi matematiche della meccanica quantistica.

Modello di Bohr

• Bohr utilizza la teoria quantistica: l'energia non è trasmessa in modo continuo, ma in quantità fisse, in modo quantizzato.
• 1° postulato: un elettrone che si muove attorno al nucleo ha un certo momento angolare: esso non può assumere valori qualsiasi ma solo multipli interi di H/2π.
• Quindi mvr = n H/2π. Questo numero n intero va da 1 a 7 ed è detto numero quantico primario mentre H è la costante di Planck.
• Di conseguenza anche i raggi delle orbite, legati al momento angolare, sono legati a n, in particolare r= 0.53 n² Å.
• 2° postulato: muovendosi nelle orbite l'elettrone non perde energia linearmente, ma secondo quanti di energia. L'elettrone si trova più o meno distante dal nucleo ma non a qualsiasi valore, bensì solo a determinati valori possibili e quantizzati.
• L'elettrone non può quindi girare a qualsiasi distanza dal nucleo e neanche perdere energia continuamente, non può quindi cadere sul nucleo.

Modello moderno

• La teoria di Bohr è stata abbandonata poiché tratta le cose in maniera bidimensionale, su orbite. Nel suo modello tanto più grande è l'orbita, tanto maggiore è l'energia dell'elettrone.