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La struttura dell’atomo ed i legami chimici
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Indice generale sulla struttura dell’atomo
• Cos’è la materia
• La struttura dell’atomo• Un modello su come è fatto l’atomo
• Il numero atomico e la tavola periodica degli elementi
• I livelli di energia degli elettroni
• Isotopi e numero di massa
• Metalli e non metalli; i legami chimici• Metalli e non metalli
• Legame ionico
• Legame covalente
• Legame metallico
A
B
C
B1
B2
B3
B4
C1
C2
C3
C4
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Che cos’è la materia
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Cos’è la materia
La materia è tutto ciò che ci circonda, che occupa uno spazio ed ha una sua massa
Le sostanze di cui la materia è costituita possono essere:
Sostanze semplici o elementi
Sostanze composte o composti
Qualsiasi elemento è costituito da tante particelle elementari dette atomi
Due o più atomi, legandosi tra loro, secondo leggi ben precise, formano le molecole
Negli elementi, le molecole sono formate da atomi dello stesso tipo
Nei composti, le molecole sono formate da atomi di tipo diverso
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La struttura dell’Atomo
• Un modello su come è fatto l’atomo
• Il numero atomico e la tavola periodica degli elementi
• I livelli di energia degli elettroni
• Isotopi e numero di massa
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B1
B2
B3
B4
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Un modello su come è fatto l’atomo
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Anticamente gli atomi sono stati considerati le particelle più piccole della materia che non si potevano dividere in particelle ancora più piccole (la parola atomo significa “Indivisibile”)
Oggi si sa che l’atomo è formato dalle seguenti particelle:
Protoni (particelle relativamente grosse che hanno carica elettrica positiva)
Elettroni (particelle molto più piccole dei protoni; hanno carica elettrica negativa)
Neutroni (particelle grosse come i protoni; ma che non hanno nessuna carica elettrica)
+
-
p+
e-
n
I Protoni ed i neutroni si trovano nel nucleo dell’atomo mentre gli elettroni vi girano attorno
+
-
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Poiché l’atomo è complessivamente neutro, il numero di protoni deve essere uguale al numero di elettroni (ricorda le regole dell’addizione algebrica)
Mentre il numero dei neutroni può essere diverso
+-+
-
+-
011 022
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+ ++
+
+
++
+
-
+-
++
+-
--
-
-
- -
-
-
-Gli elettroni ruotano attorno al nucleo in delle “orbite” fisse
Nella prima “orbita” ci stanno al massimo 2 elettroni;
nelle altre “orbite” ci stanno al massimo 8 elettroni
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N.B.) in realtà non è corretto parlare di “orbita” degli
elettroni. Useremo, il termine improprio di orbita solo
per ragioni didattiche, in quanto per gli alunni della
scuola secondaria di primo grado, è prematuro
introdurre il concetto di orbitale (che non corrisponde
esattamente a ciò che indichiamo con la parola
“orbita”) , ovvero di porzione di spazio intorno al
nucleo dove è più probabile trovare un elettrone.
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Il numero atomico e la tavola periodica degli elementi
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Numero atomicoLa differenza tra un elemento chimico ed un altro sta proprio nel numero di protoni (e quindi anche di elettroni) presenti in ogni atomo
Questo numero prende il nome di numero atomico (si indica con Z)
N.B.) mentre protoni ed elettroni caratterizzano un certo elemento chimico, i neutroni possono avere un numero variabile anche per lo stesso elemento
Idrogeno (H) Elio (He)Litio (Li)
+-
+-
+
+-
++
- --
Numero atomico: 1(Z = 1)
Numero atomico: 2(Z = 2)
Numero atomico: 3 (Z = 3)
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Tavola periodica degli elementi
Tutti gli elementi chimici sono stati elencati in ordine di numero atomico in una tabella chiamata tavola periodica degli elementi
Ricorda che un elemento è diverso da un altro per il numero di protoni (e quindi di elettroni), cioè per il numero atomico
Numero atomico
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Idrogeno (H)
+-
Numero atomico: 1(Z = 1)
Cioè ha un solo protone ed un solo elettrone
Elio (He)
+-
+ -
Numero atomico: 2(Z = 2)
Cioè ha 2 protoni e 2 elettroni
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+
-
-
-
+
+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
+-
+
-
protone
elettrone
Ricordiamo che:•nella prima “orbita” ci stanno al massimo 2 elettroni; •nelle altre ci stanno al massimo 8 elettroni
NB) i neutroni li stiamo trascurando
+
-
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I livelli di energia degli elettroni
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+
-
-+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
+-
+
- +
Ricordiamo quindi:•un elemento è diverso da un altro per il numero di protoni e quindi di elettroni presenti nell’atomo•Questo numero si chiama numero atomico•Poiché l’atomo è neutro, il numero di protoni deve essere uguale al numero di elettroni; i neutroni possono essere diversi.•I protoni ed i neutroni stanno nel nucleo, mentre gli elettroni vi girano intorno•Nella prima “orbita” ci stanno al massimo 2 elettroni, mentre nelle altre ci stanno al massimo 8 elettroni
+
-
Le “orbite” degli elettroni vengono chiamati gusci o strati.
Essi sono dei livelli energetici posseduti dagli elettroni
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+
-
-+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
+-
+
- + Gli elettroni situati negli strati (“orbite”) più lontani dal nucleo sono più ricchi di energia(si trovano ad un livello energetico superiore);
quelli situati negli strati più vicini al nucleo si trovano ad un livello energetico inferiore
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Quando ad un atomo viene fornita energia, può succedere che gli elettroni saltano negli strati più lontani dal nucleo (strati ad energia più alta)
Subito dopo, l’elettrone ritorna nello strato iniziale liberando (per esempio sottoforma di luce) l’energia che aveva ricevuto prima
+
-
ener
gia
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+
-
Abbiamo detto che quando l’elettrone ritorna, si libera l’energia che lo aveva fatto saltare
Questa energia spesso è energia luminosa
Il colore della luce emessa dipende dalla struttura dell’atomo di quel dato elemento chimico
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Isotopi e numero di massa
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ISOTOPI
Abbiamo detto che un elemento è diverso da un altro per il numero di protoni e quindi di elettroni (numero atomico)
E i neutroni ?
+
-
Uno stesso elemento può essere costituito da atomi aventi un diverso numero di neutroni
Atomi di uno stesso elemento con numero diverso di neutroni si dicono ISOTOPI
+
-
+
-
+
-
protoni
neutroni
elettroni
Come esempio vediamo gli isotopi dell’idrogeno (simbolo H, numero atomico 1 (cioè 1 solo protone ed un solo elettrone))
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+
-
+
-
+
-
Questi tre atomi chimicamente si comportano allo stesso modo (si tratta sempre di idrogeno)
Ma cosa cambia?
Cambia solamente il peso!
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Numero di massa
Quindi negli atomi di uno stesso elemento, il numero di protoni non cambia, mentre i neutroni possono essere diversi
In ogni singolo atomo il peso è sostanzialmente determinato dai protoni e dai neutroni (il peso degli elettroni viene trascurato perché è bassissimo)
La somma dei protoni e dei neutroni presenti in un atomo viene chiamata numero di massa e si indica con la lettera A
Per cui:
npA
+
-
+
-
+
-
Numero di massa =1Numero atomico = 1
Numero di massa =2Numero atomico = 1
Numero di massa =3Numero atomico = 1
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Per convenzione il numero atomico si mette in basso al simbolo, mentre il numero di massa si mette in alto
+
-
+
-
+
-
Numero di massa =1Numero atomico = 1
Numero di massa =2Numero atomico = 1
Numero di massa =3Numero atomico = 1
H11 H21 H31
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Ecco due isotopi del carbonio:
+
+ ++
++
-
-
-
--
-
+
+ ++
++
-
-
-
--
-
C126 C146(carbonio 12) (carbonio 14)
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Metalli e non metalli; Il legame chimico
• Metalli e non metalli
• Legame ionico
• Legame covalente
• Legame metallico
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C1
C2
C3
C4
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Metalli e non metalli
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Abbiamo detto che nel primo strato ci stanno al massimo 2 elettroni, mentre negli altri strati ci stanno al massimo 8 elettroni
+
-
-+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
+-
+
- +
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Pertanto, mentre le orbite interne sono piene di elettroni (2 nella prima e 8 nelle altre), l’ultima orbita può essere completamente riempita oppure non completa.
+
-
-
+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
+
-
-+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
-
+
Ne (neon)(ultima orbita completa)
Na (sodio)(ultima orbita non completa)
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Tutti gli elementi “desiderano” avere l’ultima orbita completa
Alcuni tendono a reagire perdendo elettroni (in questo modo rimangono con l’orbita sottostante completa)
Altri tendono a reagire acquistando elettroni (in questo modo completano l’orbita)
Altri ancora si uniscono mettendo in comune elettroni (fino ad avere nell’ultimo strato un assetto completo di elettroni)
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Gli elementi che tendono a perdere elettroni si chiamano metalli
Gli elementi che tendono ad acquistare elettroni si chiamano non metalli
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Metalli Non metalliGas nobili
Tra gli elementi distinguiamo:
Tendono a perdere elettroni
Tendono ad acquistare elettroni
Hanno l’ultima orbita completa; non reagiscono con nessuno
…Elementi con caratteristiche intermedie tra metalli e non
metalli
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Legame ionico
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+
-
-
+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
-
+
Na (sodio)Ha un solo elettrone nell’ultima
orbita, tende a perderlo
Il sodio, perdendo un elettrone, non sarà più neutro, ma avrà una carica positiva perché i protoni del nucleo prevalgono sugli elettroni (c’è un elettrone in meno)
Si chiamerà ione sodio
Na
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+
-
-
+ +- + +
-
+
-
+
-
+ -
- -
F (fluoro)Ha 7 elettroni nell’ultima orbita (uno
in meno rispetto a 8), tende ad acquistare 1 elettrone per avere
l’ultima orbita completa
+-
Il fluoro, acquistando un elettrone, non sarà più neutro, ma avrà una carica negativa (c’è un elettrone in più)
Si chiamerà ione fluoruro
F
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Legame ionico
Na
+
-
-+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
-
+ +
-
-
+ +- + +
-
+
-
+
-
+ -
- -
+
Na F
F
Il sodio cede un elettrone al fluoro
Il sodio diventa ione positivo
Il fluoro diventa ione negativo
Ione positivo e ione negativo si attraggono, formando un legame detto legame ionico
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Quindi il legame ionico si stabilisce tra un atomo che cede elettroni ed un altro atomo che li acquista
L’atomo che cede gli elettroni diventa caricato positivamente (ione positivo o catione);L’atomo che acquista gli elettroni diventa caricato negativamente (ione negativo o anione)
Ione positivo e ione negativo si attraggono e si uniscono.
La forza elettrica che tiene uniti gli ioni positivi con gli ioni negativi costituisce appunto il legame ionico
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Altri esempi di legame ionico
Li
+
-
++
-
-+++
+++++
+++++++
+
+17-
-
-
-
- -
-
-
- -
--
- -
-
--Li (litio)
Cl (cloro)-Cl
Dall’unione di uno di litio ed uno di cloro, si forma il composto ionico LiCl, chiamato cloruro di litio
3
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+
-
-
+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
-
+
Na (sodio)
++++
++++
+++++++
+
+17-
-
-
-
- -
-
-
- -
--
- -
-
--
Cl (cloro)-ClNa
Dall’unione di uno di sodio ed uno di cloro, si forma il composto ionico NaCl, chiamato cloruro di sodio (questo è il sale che usiamo in cucina)
11
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+
-
-+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
-
+12
+
-
+
-
-
+ +- + +
-
+
-
+
-
+ -
- -
+
F
+
-
-
+ +- + +
-
+
-
+
-
+ -
- -
+
F
Mg
9
9
Il magnesio può cedere due elettroni
Il fluoro può ricevere solo un elettrone
Allora il magnesio cede l’altro elettrone ad un altro atomo di fluoro
Si forma il composto 2MgF
2Mg
-1F
-1F
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Confrontiamo NaF con
2Mg
-1F
-1F
Na
Il sodio cede un solo elettrone e diventa con carica +1
F
Il magnesio cede due elettroni e diventa con carica +2
Si dice che il sodio ha valenza 1, cioè ha una singola capacità di combinazione, in quanto mette in gioco 1 solo elettrone per formare il legame
Il magnesio ha valenza 2, cioè ha una doppia capacità di combinazione, in quanto mette in gioco 2 elettroni per formare il legame
2MgF
In entrambi i composti il fluoro ha valenza 1, in quanto ogni atomo acquista 1 solo elettrone
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Legame covalente
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Abbiamo detto che:
I metalli tendono a cedere elettroni diventando ioni positivi (o cationi)
I non metalli tendono ad acquistare elettroni diventando ioni negativi (o anioni)
Ioni positivi e ioni negativi si attraggono formando un legame ionico
Il legame ionico non è il solo tipo di legame esistente:
Spesso due o più atomi si uniscono senza che nessuno ceda e nessuno acquisti elettroni, ma mettendo in comune 1 o più elettoni.
In questo modo viene raggiunta la completezza nell’ultima orbita
Si parla in questo caso di legame covalente
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Legame covalente
+
-
+
-
Un atomo di idrogeno ha 1 solo elettrone
Per completare l’orbita occorre un altro elettrone (nella prima orbita ci stanno al massimo 2 elettroni)
Due atomi di idrogeno possono completarsi mettendo in comune un elettrone ciascuno
-
-
Quindi i due elettroni impegnati nel legame appartengono ad entrambi gli atomi di idrogeno
Si forma la molecola 2H
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+
-
-
+ +
-
+ +
-
+
-
+
--
-
+ 8 +
-
-+ +
-
+ +
-
+-
+
-
-
-
+ 8
Due atomi di ossigeno si uniscono formando la molecola
2O
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Legame metallico
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Legame metallico
Ricordiamo che i metalli, avendo pochi elettroni nell’ultima orbita, tendono a perderli
+
-
-+ +- + +-
-
+
-
+
-
+ -
+
-
+
-
-
+
Na (sodio)
11
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In una sbarra di metallo questi elettroni esterni formano una nuvola elettronica che appartiene contemporaneamente a tutti gli atomi del metallo, mantenendoli uniti (legame metallico)
Addirittura, applicando una differenza di potenziale elettrico questi elettroni possono spostarsi (corrente elettrica)
Ecco perché i metalli sono buoni conduttori di elettricità
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L’energia del flusso di elettroni nei metalli può essere utilizzata per fare accendere una lampadina
Naturalmente, per fare spostare gli elettroni in un conduttore metallico ci vuole una differenza di potenziale elettrico.
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Fine