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La chimica attraverso i secoli Democrito L'atomo Numero atomico e isotopi Le molecole I legami chimici Fenomeni chimici Formule chimiche La chimica attraverso i secoli Democrito L'atomo Numero atomico e isotopi Le molecole I legami chimici Fenomeni chimici Formule chimicheprof giuseppe bettati °°° Info cookies
CHIMICA ELEMENTARE 2: clicca qui
L'uomo si pone da sempre domande del tipo: come sono fatti gli oggetti che ci circondano? Come si trasformano le sostanze che li costituiscono? A questi interrogativi risponde la Chimica, una scienza strettamente legata alla nostra vita quotidiana, forse più di quanto ci si potrebbe aspettare. Le origini della Chimica si possono collocare nella preistoria, nel momento in cui l'uomo ha scoperto l'uso del fuoco; questo elemento gli ha permesso progressivamente di cuocere i cibi, costruire armi e utensili, estrarre i metalli dai minerali con i quali produrre leghe come il bronzo, costruire vasellame.
Gli Egiziani furono tra i primi ad utilizzare conoscenze di tipo chimico, infatti sapevano costruire il vetro e ricavavano dalle piante coloranti, cosmetici e medicine. Inoltre utilizzavano il sale (cloruro di sodio) per conservare la carne e il pesce. Tutte queste tecniche erano però frutto dell'esperienza, mancavano le conoscenze teoriche.
I Greci furono i primi a tentare di capire e spiegare in modo teorico la composizione delle varie sostanze e le cause delle trasformazioni. I primi scienziati detti filosofi cercarono infatti, nella Grecia del VI secolo a.C., di scoprire la struttura della materia.
Tra questi pensatori spicca la figura di Democrito, il quale formulò l'ipotesi che la materia fosse formata da piccolissime particelle separate tra loro a cui diede il nome di atomi, che in greco significa indivisibile. Democrito, con un puro ragionamento logico, intuì che frazionando i vari corpi in parti sempre più piccole si giungeva a particelle elementari non più divisibili. I diversi stati di aggregazione in cui la materia si presenta (solido, liquido, aeriforme) dipendevano, per Democrito, dalle caratteristiche di queste particelle e da come si univano fra loro.
L'idea geniale di Democrito non ebbe successo perché non riuscì a dimostrare l'esistenza di questi atomi. Presso i Romani non vennero avanzate nuove teorie, poi arrivarono le invasioni barbariche e le condizioni non erano certo ideali per dedicarsi allo studio delle scienze; nel Medioevo però l'umile lavoro di trascrizione dei monaci permise di conservare gli antichi testi. In seguito la vita in Europa divenne progressivamente più tranquilla, nacquero le Università, cominciò lo studio delle opere degli antichi popoli e nacque l'Alchimia, antenata della moderna Chimica da cui deriva il nome.
Gli alchimisti cercavano la pietra filosofale, una magica sostanza capace di trasformare i metalli in oro, di guarire tutte le malattie. Essi non riuscirono ovviamente nel loro intento, ma scoprirono nuove sostanze, nuovi procedimenti come la distillazione, in poche parole aprirono la strada alla nascita della Chimica vera e propria.
Momento decisivo si ebbe all'inizio del 1800 quando Dalton ripresentò il concetto di atomi come parti di materia piccolissime, indivisibili, indistruttibili; Dalton divise le sostanze in elementi e composti: i primi formati da atomi uguali, i secondi da atomi diversi. Poi Thompson scoprì che l'atomo non è affatto indivisibile ma costituito da elettroni, protoni e neutroni.
Dopo la scoperta delle particelle subatomiche, vennero proposti nuovi modelli per cercare di spiegare la posizione e il ruolo delle varie componenti. Semplificando al massimo, possiamo immaginare l'atomo costituito da una parte centrale detta nucleo e dagli elettroni che girano intorno ad esso a velocità elevatissima.
Gli elettroni sono estremamente piccoli ed hanno carica elettrica negativa; il nucleo è invece formato dai protoni, particelle 1800 volte più grandi degli elettroni e aventi carica elettrica positiva e dai neutroni, particelle neutre lievemente più grandi dei protoni.
In ogni atomo il numero degli elettroni è uguale al numero dei protoni (numero atomico), l'atomo è quindi neutro. Le caratteristiche chimiche di ogni elemento dipendono dalla disposizione degli elettroni intorno al nucleo dell'atomo.
Possiamo immaginare gli elettroni in movimento vorticoso e velocissimo dentro una serie di gusci concentrici.
In ciascun guscio o livello, possono trovare posto diversi elettroni: il primo livello può ospitare due elettroni, in tutti gli altri al massimo ci possono stare otto elettroni; questi ultimi tendono ad occupare tutte le posizioni più vicine al nucleo. Il comportamento di un elemento nelle reazioni chimiche dipende dal numero di elettroni presenti nel guscio più esterno; se è completo l'elemento non reagisce, in caso contrario cercherà di completarlo.
Il numero atomico indica il numero degli elettroni e dei protoni. Ogni elemento ha un suo numero atomico che lo caratterizza e lo distingue da tutti gli altri. Tra gli elementi, il più semplice è l'idrogeno in quanto ha un solo protone nel nucleo e un solo elettrone che ruota intorno. L'elemento più grande e complesso, tra quelli presenti in natura, è l'uranio: esso infatti ha 92 protoni nel nucleo e 92 elettroni intorno.
A volte gli atomi perdono o acquistano elettroni e si trasformano in ioni positivi nel primo caso, in ioni negativi nel secondo.
Se il numero atomico è assolutamente caratteristico e invariabile per ogni elemento, il numero dei neutroni, cioè della terza particella atomica, può invece essere diverso anche in atomi di identico numero atomico.
Si chiamano isotopi gli atomi di uno stesso elemento con un numero diverso di neutroni. La somma dei protoni e dei neutroni si chiama numero di massa.
Gli atomi di elementi diversi spesso reagiscono per formare composti; non lo fanno casualmente ma seguono precisi comportamenti chimici. Quando avviene una reazione chimica un atomo si lega ad un altro uguale o di diverso tipo e forma una molecola.
Gli atomi però non si legano a caso, hanno precise preferenze. Gli scienziati hanno scoperto che tutti gli atomi vogliono completare il guscio più esterno sino ad avere al massimo due elettroni per il primo guscio e otto per tutti i successivi.
E' proprio per colmare il guscio più esterno che un atomo si unisce ad uno o più atomi dando origine alle molecole, mediante le reazioni chimiche. Vi è un gruppo di elementi, i cosiddetti gas nobili (elio, neon, argo, kripton, xenon, radon) che, avendo otto elettroni nel guscio più esterno non hanno bisogno di alcun elettrone, sono stabili, quindi non reagiscono e non formano molecole.
Tutti gli altri elementi hanno il problema di arrivare ad otto elettroni nel guscio esterno; per ottenere questo risultato, attraverso reazioni chimiche, cedono, acquistano o mettono in comune gli elettroni dell'ultimo livello energetico attraverso i legami chimici e raggiungono in questo modo la stabilità.
Tra i diversi modi con i quali gli atomi si uniscono, due sono particolarmente importanti; il legame ionico e il legame covalente.
Il primo interessa soprattutto gli atomi che hanno un solo elettrone nell'ultimo guscio e che tendono a liberarsene cedendolo e gli atomi che hanno sette elettroni sempre nell'ultimo guscio e che tendono ad acquistarne uno per completare l'ottetto. Abbiamo questo tipo di legame nella formazione del cloruro di sodio (sale da cucina): il sodio (Na) perde il suo elettrone e diventa ione positivo (Na+); il cloro (Cl) acquista l'elettrone che gli dona il sodio e diventa ione negativo (Cl-). Essendo ioni di segno opposto naturalmente si attraggono e formano il composto (NaCl).
Siamo in presenza del legame covalente invece quando due atomi mettono in comune elettroni del guscio più esterno.
Ne abbiamo un esempio nella formazione della molecola d'acqua: l'ossigeno ha sei elettroni nel guscio esterno (ha bisogno di due per arrivare ad otto e diventare stabile), l'idrogeno ha un solo elettrone (ha bisogno di un elettrone per arrivare a due come vuole la regola per il primo guscio).
I tre atomi si avvicinano, mettono in comune due elettroni che da questo momento cominciano a ruotare attorno ad entrambi i nuclei.
In natura possiamo incontrare due tipologie fondamentali di trasformazioni: trasformazioni fisiche e trasformazioni chimiche.
Nel primo tipo, la composizione delle sostanze coinvolte non cambia; ne è un esempio il ghiaccio che si scioglie e diventa acqua lasciando invariata la formula chimica (H2O).
Nelle trasformazioni chimiche o reazioni, al contrario, le sostanze cambiano, si trasformano in altre completamente diverse da quelle di partenza. Come esempio possiamo citare il legno che brucia e si trasforma in cenere e fumo o il ferro che arrugginisce a contatto con l'ossigeno dell'aria.
Le sostanze di partenza si chiamano reagenti mentre le sostanze finali sono i prodotti della reazione chimica. Mentre la reazione avviene i reagenti sembrano scomparire lasciando il posto a una sostanza del tutto nuova. Le reazioni chimiche rispettano la Legge di conservazione della massa di Lavoisier: In tutte le reazioni chimiche la massa iniziale dei reagenti è uguale alla massa finale dei prodotti, la materia quindi non aumenta nè dimunuisce, si trasforma.
Gli elementi presenti in natura sono, come già ricordato, 92 e circa altri 10 sono gli elementi prodotti artificialmenti nei laboratori.
Gli elementi vengono indicati con l'iniziale del nome latino (quando esiste) oppure con l'iniziale dello scopritore o del suo paese d'origine; nel caso due elementi comincino con la stessa lettera, per evitare confusione, si usa anche la seconda. Tutti gli elementi vengono riuniti nella Tavola Periodica di Mendeleev introdotta nel XIX secolo dal chimico russo Mendeleev. I simboli usati per gli elementi sono utilizzati anche nelle formule chimiche che rappresentano i composti.
Tutte le formule chimiche ci danno informazioni precise sia sul tipo che sulla quantità degli elementi coinvolti. Ad esempio la formula C6H12O6 (glucosio) è formata da: 6 atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 6 atomi di ossigeno.