La struttura dell’atomo ed i legami chimici

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

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

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

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

+

-

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

+ ++

+

+

++

+

-

+-

++

+-

--

-

-

- -

-

-

-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

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.

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)

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

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

+

-

-

-

+

+ +- + +-

-

+

-

+

-

+ -

+

-

+

-

+-

+

-

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

+

-

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

+

-

-+ +- + +-

-

+

-

+

-

+ -

+

-

+

-

+-

+

- + 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

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

+

-

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

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))

+

-

+

-

+

-

Questi tre atomi chimicamente si comportano allo stesso modo (si tratta sempre di idrogeno)

Ma cosa cambia?

Cambia solamente il peso!

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

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

Ecco due isotopi del carbonio:

+

+ ++

++

-

-

-

--

-

+

+ ++

++

-

-

-

--

-

C126 C146(carbonio 12) (carbonio 14)

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

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

+

-

-+ +- + +-

-

+

-

+

-

+ -

+

-

+

-

+-

+

- +

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)

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)

Gli elementi che tendono a perdere elettroni si chiamano metalli

Gli elementi che tendono ad acquistare elettroni si chiamano non metalli

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

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

+

-

-

+ +- + +

-

+

-

+

-

+ -

- -

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

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

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

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

+

-

-

+ +- + +-

-

+

-

+

-

+ -

+

-

+

-

-

+

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

+

-

-+ +- + +-

-

+

-

+

-

+ -

+

-

+

-

-

+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

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

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

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

+

-

-

+ +

-

+ +

-

+

-

+

--

-

+ 8 +

-

-+ +

-

+ +

-

+-

+

-

-

-

+ 8

Due atomi di ossigeno si uniscono formando la molecola

2O

Legame metallico

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Legame metallico

Ricordiamo che i metalli, avendo pochi elettroni nell’ultima orbita, tendono a perderli

+

-

-+ +- + +-

-

+

-

+

-

+ -

+

-

+

-

-

+

Na (sodio)

11

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

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.

Fine