Com'è fatto l'ATOMO? Cosa sono gli IONI e gli ISOTOPI? | Lezioni di Chimica

Qua oggi parliamo dell'atomo. Andiamo a vedere com'è fatta la struttura atomica e poi introduciamo anche il concetto di ione e di isotopo.

Partiamo con il definire che cos'è l'atomo. L'atomo è il componente fondamentale di tutta la materia, cioè quel mattoncino, quella pallina che va a formare tutto quello che ci circonda. Infatti, ogni cosa nel nostro universo è costituita da un numero di atomi e quindi di queste palline, di questi corpi minuscoli che noi appunto chiamiamo con un nome che deriva dal greco che vuol dire indivisibile. Oggi sappiamo che un atomo si può dividere, ma in condizioni naturali, anzi, nella vita di tutti i giorni, tendenzialmente l'atomo non si divide. Quello che invece può fare un atomo è legarsi con un altro atomo andando a formare una molecola. Quindi sappiamo che più atomi legati insieme formano le molecole.

Ma ora torniamo sul concetto di atomo e andiamo a vedere com'è fatto. Prima di tutto, per descrivere un atomo, partiamo dal suo centro. Al centro dell'atomo troviamo delle particelle positive. Queste particelle le chiamiamo protoni. Hanno, come detto, carica elettrica positiva e hanno massa. Che ora non è importantissimo questo numero, ma la cosa molto interessante è che circa 2.000 volte più pesante di una particella che vedremo tra poco, e cioè dell'elettrone. Solitamente, non obbligatoriamente, ma solitamente nel nucleo, cioè vicino i protoni, troviamo anche i neutroni. I neutroni sono queste particelle senza una carica elettrica, quindi sono neutri, come dice il nome, che hanno una massa in effetti abbastanza simile a quella del protone, cioè pesano circa uguali. Come vi ho scritto nella slide, sono anche loro circa 2.000 volte più pesanti dell'elettrone che vedremo tra poco. E uno si chiede, ma se questo neutrone pesa uguale e non ha nessuna carica elettrica, perché si trova lì vicino? Ecco, si può dire che solitamente i neutroni servono a separare i protoni nel nucleo. Questo perché due protoni con carica positiva tenderanno a respingersi e se invece gli mettiamo in mezzo i neutroni, questo fa sì che le forze che si trovano dentro il nucleo permettano appunto al nucleo di stare insieme. L'ho spiegato in maniera molto semplice perché se bisognasse andarlo ad approfondire, si entra ovviamente nella fisica quantistica. Ecco, possiamo dire che queste particelle che si trovano al centro dell'atomo, quindi protone più neutrone, vanno a formare quello che noi possiamo chiamare appunto nucleo. Quindi il nucleo atomico è formato da protoni e neutroni. Posso anche semplificarvi dicendo che il numero dei neutroni solitamente è lo stesso di quello dei protoni. Questa informazione va presa con le pinze perché vedremo tra poco che in realtà il numero di neutroni può variare di tanto, anche questo perché essendo particelle neutre, non è necessario che abbiano un numero ben prestabilito, ben fisso. Però tendenzialmente, la maggior parte delle volte, si può trovare che il numero di neutroni è uguale al numero dei protoni.

Ora però manca sicuramente una particella molto importante, molto leggera, però, che è quella particella con carica negativa e cioè l'elettrone. Come vediamo, l'elettrone ha una massa. Se andiamo a fare un calcolo, di circa 2.000 volte più piccola di quella dei protoni e neutroni, che invece tra di loro aveva una massa abbastanza simile. Quindi si dice solitamente che la massa dell'elettrone è irrilevante. Si può approssimare questo perché è talmente piccolo rispetto al resto delle particelle dell'atomo che 1, 2, 3, 4 elettroni, in realtà, non fanno variare di molto la massa. Come vedete, ci sono particelle positive, i protoni, particelle neutre, i neutroni, particelle negative, gli elettroni. E come vedete, le particelle con i più sono esattamente nello stesso numero delle particelle con i meno. Infatti, in natura, la maggior parte degli atomi è neutro. Abbiamo uno stesso valore di protoni ed elettroni, quindi i più equiparano sempre i meno. Ecco, vi anticipo anche che sempre in natura, per tutti gli elementi, il numero di protoni non cambia mai, mentre gli elettroni, essendo molto leggeri, un atomo potrebbe perderli o acquisirli, ma questo lo vediamo tra poco.

Dobbiamo sapere che queste tre particelle compongono tutti gli atomi della tavola periodica. Ecco perché, in effetti, gli atomi non sono tutti uguali. A seconda di quanti protoni hanno nel nucleo, se ne hanno uno, se ne hanno due, tre, quattro, vanno a formare elementi diversi. E cioè, possiamo dire che ci sono vari atomi diversi, come se fossero di colori diversi. Abbiamo atomi blu, atomi rossi, atomi grigi, atomi azzurri. Eco, ovviamente sto semplificando per sé, per dire che è vero che un atomo è un atomo, però ci sono vari tipi di atomi. Ad esempio, qua vediamo come elemento numero uno, lo vedete qua, come il numero atomico, e si chiama così il numero che si trova in alto a sinistra. Ecco, che abbiamo l'idrogeno. L'idrogeno è l'elemento più leggero di tutta la tavola periodica. Questo perché è proprio derivandolo del numero atomico, noi lo sappiamo, perché il numero atomico ci indica il numero di protoni. Quindi sappiamo che l'idrogeno ha un protone e di conseguenza, se sappiamo che più devono essere uguale meno, anche un elettrone. Se prendiamo l'elemento sotto, il litio, ecco, il litio è un elemento, cioè gli atomi di litio sono fatti con tre protoni e di conseguenza anche tre elettroni. Facciamo ancora un altro esempio. Prendiamo il carbonio, lo vedete qua a destra in verde. Sappiamo da questo numerino che c'è in alto, lo hanno messo apposta proprio per dirci che il carbonio ha 6 protoni nel suo nucleo, quindi ha sei più, ha sei particelle positive e di conseguenza sappiamo che in natura, se lui ha sei particelle positive, deve avere per forza intorno a questi protoni, devono girarci 6 elettroni, cioè 6 particelle negative. Protoni ed elettroni devono sempre essere equiparati. Se ad esempio il carbonio ha 6 protoni, cioè sei più, dovrà avere anche sei meno, cioè sei elettroni che gli girano intorno.

Nella prossima slide andiamo a fare tutti i nostri esempi con l'atomo più semplice di tutti, e cioè l'idrogeno, perché l'idrogeno ha un protone e di conseguenza un elettrone. E allora andiamo a vedere l'atomo di idrogeno. E tra l'altro, il simbolo per indicare l'elemento chimico idrogeno è formato proprio da un protone e un elettrone che gli gira intorno. Come già detto, i più devono sempre essere equiparati ai meno. I neutroni, invece, in questo caso, siccome sono neutri, potrebbero esserci ma anche no. Infatti, l'atomo più comune di idrogeno in realtà non contiene neutroni perché non ce n'è bisogno, visto che vi ho detto che servono a separare i protoni nel nucleo. Ecco, in questo caso non c'è bisogno di separare niente, c'è solo un protone. Però abbiamo anche detto che gli elettroni, in effetti, sono molto leggeri. E cioè, queste palline blu che io vi ho disegnato in blu, in realtà sono molto più piccole di come l'ho disegnata io e sono molto leggere. Questo vuol dire che potrebbero andarsene via dall'atomo ogni tanto, se qualcun altro le porta via o magari quell'atomo potrebbe rubare qualche elettrone da qualche parte.

Abbiamo quindi delle particelle che possiamo chiamare ioni. E cioè, gli stessi atomi, ad esempio questo atomo di idrogeno, se acquisisce o cede un elettrone, avrà una carica negativa in più. Se prende un elettrone, avrà una carica negativa in meno. Se cede l'elettrone, questo fa sì che quello specifico atomo, no, in quel momento lo dobbiamo chiamare ione. E cioè, il termine ione sta ad indicare proprio un atomo che cede o acquista un elettrone. Ma facciamo un esempio animato. E cioè, prendiamo ad esempio che l'elettrone di questo atomo di idrogeno se ne va. E allora un atomo o molecola, attenzione perché questo poi lo potremo vedere anche sulle molecole, che perde un elettrone, ovviamente prevale a quel punto la carica positiva del protone perché l'elettrone non c'è più. E allora in quel caso lo chiamiamo ione positivo, o con un nome ancora più semplice, ma che bisogna ricordare, che è catione. Come vedete, ve lo segnato qua, è il simbolo atomico adesso prende il simbolino più, e cioè prende una carica elettrica positiva perché perché non c'è più un meno e quindi c'è solo più il più, cioè prevale il più protone. E quindi noi scriveremo non più H, ma per indicare un idrogeno che ha perso un elettrone, scriveremo H+. Ecco, questa cosa è molto frequente, anzi una cosa anche molto frequente chiamare l'idrogeno senza l'elettrone, lo si chiama spesso anche solo protone, perché in effetti, essendo che l'idrogeno è l'atomo più semplice che esiste, quando perde l'elettrone, è lui ha solo il protone, quindi in effetti è corretto chiamarlo protone. Ecco, quindi un atomo che perde un elettrone, prevale la carica positiva e viene chiamato catione, cioè uno ione positivo, un cattivone.

Andiamo a vedere invece la situazione opposta. Cosa succede se allo stesso atomo di idrogeno, invece, viene donato un elettrone? Quindi l'atomo di idrogeno prende un elettrone e quindi da che ne aveva solo uno, ora se ne trova due. E che in questo caso ha acquisito una carica negativa in più, cioè è un po' un gioco di parole, ha un meno in più. A quel punto questo diventa uno ione negativo e lo ione negativo si può anche chiamare anione. E quindi ione positivo, catione; ione negativo, anione. E ovviamente ora il suo simbolo diventerà H-. Questa cosa in natura è un po' meno comune, però io comunque vi ho fatto l'esempio con l'idrogeno che è la situazione più semplice. E allora andiamo a specificare un po' meglio. Quando un atomo reagisce con un altro atomo, può succedere che avvenga un passaggio di uno o più elettroni, proprio perché questi sono molto leggeri e vengono attirati molto facilmente. In questo caso, quindi, il numero di protoni di ciascun atomo, ricordatelo bene questo, i più degli atomi non cambiano mai. L'idrogeno avrà sempre un protone, il litio avrà sempre 3 protoni, il carbonio avrà sempre 6 protoni, come abbiamo messo prima. Però gli elettroni potrebbero invece balzare via, può venire attirati. Quindi possiamo dire, in effetti, che gli elettroni potrebbero essere acquisiti o ceduti, quindi persi. Ovviamente, se viene acquisito un elettrone da quell'atomo, l'atomo avrà una carica negativa in più. Se invece vengono ceduti degli elettroni, quell'atomo avrà una carica negativa in meno e quindi prevarrà una carica positiva del protone, perché ovviamente protoni ed elettroni sono bilanciati. Se perdiamo un meno e abbiamo un più in più, scusate il gioco di parole, ma è così. Di conseguenza, quell'atomo lo chiamiamo catione. Infatti, se durante una reazione tra due elementi chimici neutri, un elettrone si trasferisce da un atomo all'altro, si genera un catione e un anione. E lo vediamo qual è il disegno. Entrambi gli atomi hanno due elettroni, ma se un atomo ruba un elettrone all'altro atomo, ecco che qua abbiamo un anione, cioè che un atomo con un elettrone in più, e qua abbiamo un catione, cioè un atomo con un elettrone in meno. Questo ione prende simbolo meno, questo ione prende simbolo più.

E ora vediamo l'ultima cosa che sono gli isotopi. Infatti, rimanendo sempre come esempio sull'idrogeno, l'idrogeno naturale è in massima parte costituito da atomi, come vi ho detto, con un protone e un elettrone, come lo vediamo qua in figura a sinistra, quindi un protone e un elettrone, e l'atomo più semplice che esiste. Però, in piccola percentuale, si è visto che alcuni atomi di idrogeno hanno un protone, hanno un elettrone, ma potrebbero avere dei neutroni, quindi uno o due neutroni in più. Questo perché proprio i neutroni non hanno una carica elettrica e tra l'altro non danno neanche proprietà chimiche particolari. Questi elementi, cioè questi elementi sempre di idrogeno, ma con uno o due neutroni in più, vengono chiamati isotopi. La presenza del neutrone in più, questa cosa è molto importante, non influenza le proprietà chimiche. Quello che però invece è influenzato è la massa. E cioè, noi sappiamo che questi neutroni pesano e quindi questi isotopi. Ora sappiamo che li chiamiamo così, e cioè questi idrogeno con dei neutroni in più sono uguali per quanto riguarda le proprietà chimiche, però sappiamo che quegli idrogeno pesano un po' di più. E infatti questi due tipi di idrogeno vengono anche chiamati idrogeno pesante.

Andiamo a dare quindi la definizione di isotopo. Che cos'è un isotopo? Sono atomi dello stesso elemento che hanno le stesse proprietà chimiche, ma massa, cioè peso diverso. Questo ovviamente perché, come abbiamo visto, contengono un diverso numero di neutroni. Quindi sono sempre atomi di idrogeno, ma che hanno numero di neutroni diverso e di conseguenza hanno anche un peso diverso.

Ecco qua devo fare una premessa che mi servirà appunto per tutte le lezioni successive, perché tutto quello che vi ho detto, in realtà, l'abbiamo scoperto in numerosi anni, anzi, numerose decine di anni, perché tra la fine del 1800 e l'inizio del 1900 furono definite queste particelle, e cioè le particelle fondamentali che compongono l'atomo: protoni, neutroni ed elettroni. La storia della scoperta, anzi delle scoperte delle teorie atomiche, è molto lunga, appunto, parte dal 1800, anzi dalla fine del 1800 con Dalton, addirittura la prima teoria atomica risale all'inizio del 1800 con Dalton, per arrivare poi alla teoria di Thomson, per passare a quella di Rutherford, arrivando a Bohr e poi Schrödinger, De Broglie e Heisenberg, che arrivano al modello atomico che oggi utilizziamo per le nostre simulazioni. Queste teorie approfondiremo nel corso delle lezioni. Io però vi lascio questa immagine che le va un pochino a riprendere, a riassumere. E se la lezione mi è stata utile, vi invito a lasciare un like, mi aiuta e fa soprattutto tanto piacere. Iscrivetevi al canale, così da vedere tutte le lezioni precedenti e quelle successive. Ricordo che c'è anche una playlist di biologia sul canale. E a chi fossero utili queste lezioni, magari per passare una verifica o un esame, mi aiuterebbe tantissimo se volesse dare un supporto al canale nel link che trovate in descrizione. Con questo vi saluto e vi do appuntamento alla prossima lezione.