Benvenuto
Tutto ciò che puoi vedere, toccare, annusare o gustare deriva dagli atomi.
Il tuo corpo. L'aria. Lo schermo su cui stai leggendo. La stella più lontana.
Gli atomi sono così piccoli che una singola goccia d'acqua contiene più atomi delle stelle presenti nell'universo osservabile.
In questa lezione, andremo a zoomare: molto in profondità: per scoprire cosa sono gli atomi, come si comportano e perché comprenderli sblocca l'intera chimica.
Riscaldamento
Prima di iniziare, partiamo dalla tua immaginazione.
Anatomia di un atomo
Le parti di un atomo
Ogni atomo ha tre tipi di particelle:
Protoni: carica positiva, si trovano nel nucleo (centro)
Neutroni: nessuna carica, si trovano anch'essi nel nucleo
Elettroni: carica negativa, orbitano attorno al nucleo in una nuvola elettronica
Il nucleo è incredibilmente piccolo rispetto all'intero atomo. Se un atomo fosse grande come uno stadio di football americano, il nucleo sarebbe un sasso da biliardo sulla linea dei 50 yard. Gli elettroni sarebbero zanzare che ronzano nei posti in alto.
Ecco il fatto chiave: il numero di protoni definisce quale elemento sia un atomo. Questo numero è chiamato numero atomico.
Ogni atomo di idrogeno ha esattamente 1 protone. Ogni atomo di carbonio ne ha esattamente 6. Ogni atomo di oro ne ha esattamente 79.
Cambia il numero di protoni e cambi completamente l'elemento.
Cosa distingue un elemento?
L'oro ha 79 protoni. Il ferro ha 26 protoni. Hanno un aspetto diverso, una sensazione diversa e si comportano in modo diverso.
Ma entrambi sono solo collezioni di protoni, neutroni ed elettroni.
La Mappa di Mendeleev
La Schedina più Potente nella Scienza
Nel 1869, un chimico russo di nome Dmitri Mendeleev fece qualcosa di brillante. Scrisse gli elementi noti su dei cartoncini e li dispose in ordine di peso atomico.
Notò che gli elementi con proprietà simili apparivano a intervalli regolari: un pattern periodico.
Li organizzò in una tabella con righe (periodi) e colonne (gruppi).
La mossa geniale: Mendeleev lasciò degli spazi vuoti. Prevedette che elementi non ancora scoperti avrebbero riempito quegli spazi: e aveva ragione. Gallio e germanio furono trovati anni dopo, corrispondendo quasi perfettamente alle sue previsioni.
Periodi (righe): Ogni riga rappresenta un nuovo guscio elettronico che viene riempito.
Gruppi (colonne): gli elementi nella stessa colonna hanno lo stesso numero di elettroni di valenza: ed è per questo che si comportano in modo simile.
La tabella si divide approssimativamente in metalli (a sinistra e al centro: lucidi, conduttori, malleabili), non metalli (in alto a destra: gas, solidi fragili) e metalloidi (lungo la linea a gradini: proprietà di entrambi).
E poi ci sono i gas nobili nell'ultima colonna a destra: elio, neon, argon. Hanno gusci elettronici esterni completi, quindi quasi non reagiscono con nulla. Sono i solitari della tavola periodica.
Pattern nella Tavola
Litio, sodio e potassio sono tutti nella colonna 1 della tavola periodica. Tutti e tre sono metalli morbidi che reagiscono violentemente con l'acqua.
Fluoro, cloro e bromo sono tutti nella colonna 17. Tutti e tre sono non metalli altamente reattivi che amano strappare elettroni da altri atomi.
Come si connettono gli atomi
Perché gli atomi formano legami
La maggior parte degli atomi non è stabile da sola. Desidera un guscio elettronico esterno completo: come hanno i gas nobili.
Per raggiungerlo, gli atomi si legano ad altri atomi in due modi principali:
Legami ionici: un atomo trasferisce elettroni a un altro.
Il sale da cucina (NaCl) è l'esempio classico. Il sodio ha 1 elettrone esterno che vuole perdere. Il cloro ha 7 elettroni esterni e ne vuole 1 in più. Il sodio passa il suo elettrone al cloro. Ora entrambi hanno gusci esterni completi: ma il sodio ha carica positiva (ha perso un elettrone) e il cloro ha carica negativa (ne ha guadagnato uno). Cariche opposte si attraggono e si bloccano insieme.
Legami covalenti: gli atomi condividono elettroni.
L'acqua (H₂O) funziona in questo modo. L'ossigeno ha bisogno di 2 elettroni in più. Ogni idrogeno ne ha 1 da condividere. Quindi l'ossigeno condivide elettroni con due idrogeni. Nessuno rinuncia a nulla: collaborano.
I composti ionici tendono a formare cristalli e a dissolversi in acqua. I composti covalenti tendono a formare molecole: unità individuali come H₂O o CO₂.
Perché il sale si scioglie
Quando si immerge un cristallo di sale in un bicchiere d'acqua, scompare. Il solido si spezza e gli ioni di sodio e cloro si diffondono nell'acqua.
Questo accade perché l'acqua è una molecola polare: l'estremità dell'ossigeno è leggermente negativa e le estremità dell'idrogeno sono leggermente positive.
Cos'è una Reazione?
I reagenti diventano prodotti
Una reazione chimica avviene quando gli atomi riorganizzano i propri legami per formare nuove sostanze.
I materiali di partenza sono chiamati reagenti. I risultati sono chiamati prodotti.
Una regola assoluta: gli atomi non vengono mai creati o distrutti in una reazione chimica. Questa è la legge di conservazione della massa. Ogni atomo che entra deve uscire: semplicemente riorganizzato.
Le reazioni possono essere esotermiche (rilasciano energia: fuoco, esplosioni, scaldamani) o endotermiche (assorbono energia: impacchi freddi, fotosintesi, cottura di un uovo).
La chimica è ovunque:
- Ruggine: ferro + ossigeno → ossido di ferro. Lenta, esoergonica.
- Combustione: combustibile + ossigeno → anidride carbonica + acqua. Rapida, molto esoergonica.
- Fotosintesi: anidride carbonica + acqua + luce solare → glucosio + ossigeno. Endoergonica: la pianta immagazzina l'energia solare nei legami chimici.
Ognuna di queste è semplicemente atomi che rompono vecchi legami e ne formano di nuovi.
La chimica della ruggine
Probabilmente hai visto la ruggine su vecchie auto, attrezzi o chiodi. La ruggine si forma lentamente, ma è una vera e propria reazione chimica.
L'equazione chimica è: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃
Si legge così: quattro atomi di ferro reagiscono con tre molecole di ossigeno per produrre due unità di ossido di ferro (ruggine).
La Chimica nella Tua Vita
Vivi Dentro un Laboratorio di Chimica
La chimica non è solo qualcosa che accade nei becher. Sta accadendo tutto intorno a te, tutto il tempo.
Cucina: Quando bruni la carne o tosti il pane, si tratta della reazione di Maillard: gli amminoacidi e gli zuccheri si riorganizzano in centinaia di nuovi composti aromatici.
Medicina: Ogni farmaco è una molecola progettata per adattarsi a un recettore specifico nel tuo corpo, come una chiave in una serratura.
Materiali: Lo schermo su cui stai leggendo questo esiste perché i chimici hanno scoperto come creare cristalli liquidi, semiconduttori e film polimerici.
Batterie: Il tuo telefono funziona grazie alla chimica degli ioni di litio: atomi di litio che fanno oscillare gli elettroni avanti e indietro tra gli elettrodi.
Il tuo corpo: In questo momento, gli enzimi nelle tue cellule stanno catalizzando migliaia di reazioni chimiche al secondo: scomponendo il cibo, costruendo proteine, copiando il DNA.
Ogni materiale, ogni medicina, ogni tecnologia risale agli atomi che formano legami.
La tua volta
Collega la chimica al tuo mondo
Ora conosci gli atomi, gli elementi, i legami e le reazioni. Hai il vocabolario per descrivere da cosa sono fatte le cose e perché si comportano in quel modo.