Il sistema periodico degli elementi

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L’ATOMO
In genere al giorno d’oggi il concetto di atomo è noto a tutti. L’idea che la materia non è continua bensì formata da innumerevoli piccole particelle risale all’antichità ma era stata dimenticata fino a quando John Dalton nel 18° secolo non la prese di nuovo in considerazione. Egli formulò l’ipotesi atomica che viene sviluppata ulteriormente e che conferma e migliora continuamente il modello atomico.
Oggigiorno per atomo (dal greco; indivisibile) si intende la più piccola unità degli elementi e delle molecole. In seguito verrà abbozzata l’origine del concetto di atomo, nonché la sua evoluzione fino ai giorni nostri.
1) La storia dell’atomo
2) Alcuni semplici modelli atomici
3) Modelli atomici attuali

LA STORIA DELL’ATOMO
Le prime riflessioni sulla struttura della materia furono fatte già nell’antichità.
I Greci ci hanno lasciato due idee fondamentali e differenti.

• La teoria degli elementi Fuoco, Acqua, Aria e Terra. Questi quattro elementi costituiscono tutta la materia che è infinitamente divisibile (sostenuta da Aristotele)
• La teoria dell’atomo: la materia è costituita da corpi piccolissimi e indivisibili (e cioè gli atomi)

La teoria atomica è stata formulata in modo determinante da Leucippo e Democrito (460-360 a.C.). quest’ultimo presumeva che tutto fosse formato da un’infinita quantità di atomi. I Greci, però, non hanno lasciato nessun modello di queste particelle.

ALCUNI SEMPLICI MODELLI ATOMICI
Il modello di Dalton
John Dalton, chimico e fisico inglese, ha abbozzato un modello atomico o, detto più esattamente, formulò l’ipotesi per spiegare la legge della conversazione della massa, la legge delle proporzioni definite e costanti e la legge delle proporzioni multiple. Le sue tre ipotesi stabilirono quanto segue:

- L’intera materia è composta da particelle indivisibili e invisibili.
- Gli atomi di un elemento sono uguali l’uno con l’altro, si differenziano però dagli atomi degli altri elementi per massa, grandezza e proprietà.
- Ogni volta un numero intero di atomi di elementi differenti forma composti.
Questo modello molto semplice consente di spiegare le leggi sulla massa. Allo stesso modo il modello costituisce la base per la spiegazione delle particelle e degli stati di aggregazione.

Il modello di Thomson
Alla fine del 19° secolo furono fatte numerose scoperte nel campo delle scienze naturali. Nel 1897 il fisico inglese Joseph John Thomson dimostrò l’esistenza di particelle cariche negativamente, chiamate elettroni (eˉ), grazie ad esperimenti con il tubo di raggi catodici. Poiché nei suoi esperimenti poteva ottenere queste particelle da tutti i metalli, dovette dedurre che gli elettroni sono contenuti nel metallo e quindi che l’atomo non è indivisibile ma formato da particelle più piccole.

Nel 1886 il fisico Goldstein scoprì che gli atomi, a cui erano stati strappati gli elettroni, producono una carica positiva. Questa carica positiva è prodotta dai protoni (p+). Gli atomi che verso l’interno sono neutri, sono costituiti anche da elettroni e protoni.
Il modello atomico di Thomson è costituito perciò sia da particelle positive sia da negative per garantire la neutralità dell’atomo e sono ripartite in maniera proporzionale nella massa dell’atomo.

Il modello di Rutherford
Agli inizi del 20° secolo con la scoperta della radioattività, gli scienziati ebbero a disposizione un nuovo strumento per studiare la struttura della materia. Rutherford e i suoi collaboratori, Geiger e Marsden, spararono contro una sottile lamina d’oro le cosiddette particelle o. Queste sono piccole particelle cariche positivamente che formano un tipo di radiazione radioattiva. La sorgente delle radiazioni fu posta in un blocco di piombo così che esce solo un sottile raggio di particelle.
Per stabilire la traiettoria delle particelle r si sfrutta un dato di fatto e cioè che le particelle tingono di nero una pellicola fotografica se queste decadono. Dove la pellicola dopo lo sviluppo diventa nera, là sono cadute le particelles..
Rutherford sistemò la pellicola in un cerchio sulla lamina d’oro e per lungo tempo sparò sulla lamina d’oro. Successivamente fu sviluppata la pellicola per stabilire la traiettoria delle particelle.
Il risultato non era compatibile con il modello atomico di quel periodo.
- Una grossa parte delle particelle r attraversava la pellicola d’oro senza venire deviata: con ciò veniva dimostrato che l’atomo non poteva avere nessuna sfera massiva come prevedeva il modello di Thomson, poiché le particelle massive non lasciavano passare le particelle a.
- Una parte delle particelle U veniva fortemente deviata. Queste particelle allora hanno incontrato un ostacolo massivo nel cosiddetto “atomo vuoto”.
- Una parte delle caricate positivamente particelle U venivano debolmente deviate. Con ciò Rutherford concluse che il cosiddetto ostacolo massivo possiede una carica positiva, poiché si urtavano cariche uguali

Da ciò ne derivò il modello atomico di Rutherford.
L’atomo consiste in un piccolo nucleo massivo di carica positiva, il quale racchiude i protoni.
Questo nucleo occupa quasi la stessa massa dell’atomo. Il nucleo è circondato da una grossa carica negativa, un involucro quasi senza massa nel quale si trovano gli elettroni. Gli elettroni si trovano distribuite in orbite sferiche circolari intorno al nucleo.
Se si paragona la grandezza del nucleo dell’atomo con la grandezza di tutto l’atomo, si dice che il nucleo è centomila volte più piccolo dell’intero atomo. Circa questa differenza da dimostrare si deve immaginare il nucleo dell’atomo come un nocciolo di ciliegia. Se il nucleo dell’atomo corrisponde al nocciolo di una ciliegia, allora l’intero atomo ha un diametro che corrisponde all’altezza della torre Eifel.
Ogni atomo possiede un numero stabile di protoni. Il numero di protoni definisce il tipo di elemento. Un elemento con 17 protoni è sempre cloro. Il numero di protoni si può leggere nel sistema periodico degli elementi nel numero atomico degli elementi.
Il numero di elettroni corrisponde al numero di protoni per bilanciare le cariche positive.
Un ulteriore importante numero caratterizza l’atomo: il numero di massa. Esso ci dice la massa dell’atomo in unità di massa atomica. Il numero di massa pone insieme la massa degli elettroni e dei protoni con quella dei neutroni. Gli elettroni vengono spesso trascurati poiché detengono appena una piccola massa.

Il modello di Bohr
Bohr esamina la luce emessa dagli atomi idrogeno (H) quando questi restituiscono l’energia che prima avevano ricevuto. Nel fare questo ha rilevato che nello spettro si possono vedere solo alcune linee colorate. Inoltre gli atomi non stimolati non emettono alcuna luce.
Queste osservazioni non possono essere chiarite con il modello atomico di Rutherford Secondo questo modello anche gli atomi non stimolati dovrebbero emettere luce e lo spettro dovrebbe presentare un andamento continuo e non solo alcune linee
- Spettro che ci si aspettava

- Osservazioni sullo spettro dell’idrogeno

Bohr formulò i seguenti postulati, ipotesi che non possono essere dimostrate:
- Ci sono solo alcune ben definite orbite possibili. All’interno di queste orbite si muovono gli elettroni.
- Queste orbite corrispondono ad una determinata energia. Finché l’elettrone rimane in quest’orbita l’energia non cambia.
- Gli elettroni possono saltare da un livello all’altro. Se l’elettrone passa ad un orbita che è più vicina al nucleo c’è emissione di energia. Se passa ad un orbita più lontana dal nucleo deve ricevere energia.

Questo modello permette così di comprendere le osservazioni. Però è anche in grado di spiegare una buona parte delle caratteristiche chimiche e dei legami. Questo modello è anche detto “Modello delle sfere”.
La seguente immagine mostra una sfumatura con 3 orbite e complessivamente 17 elettroni che si muovono nelle loro orbite. Si tratta dell’atomo di Cloro che ha sia 17 elettroni, sia 17 protoni.

La prossima immagine mostra una visione tridimensionale con una sezione attraverso l’orbita.

Il modello delle orbite individua sette orbite, che sono numerate da uno a sette o più frequentemente con le lettere dalla k alla q. Le orbite iniziano con la k e sono completate con due elettroni. Ogni orbita può ammettere solo un limitato numero di elettroni.

La tabella mostra un prospetto/uno schema della distribuzione dei livelli degli elettroni. Dopo che il livello K è pieno, diventa pieno il livello L, finché racchiude 8 elettroni.

Se si guarda bene la tabella, si vede che tutti gli elementi che stanno l’uno sotto l’altro, hanno lo stesso numero di elettroni sull’ultimo livello riempito, questi elementi con lo stesso numero di elettroni sull’ultimo livello stanno in una colonna verticale chiamata gruppo.
Un elemento che sta nel 5 gruppo ha 5 elettroni sull’ultimo livello.
Tutti gli elementi che occupano lo stesso livello, che stanno quindi in una riga orizzontale, si dice appartengano ad un periodo.
Ci sono 7 periodi da cui anche 7 livelli di elettroni. Un elemento del 3 periodo occupa 3 livelli, quello K, quello L e quello M.
Questo sistema ordinato e completato viene definito sistema periodico degli elementi o semplicemente PSE.
Attraverso la combinazione dei gruppi numerici e dei periodi numerici si può stabilire in forma esatta di quale elemento si tratti. Nel nostro esempio del 5 gruppo e del 3 periodo
Si tratta dell’elemento fosforo con numero atomico 15 e numero di massa 31.

Il modello orbitale
Ma neanche il modello atomico di Bohr può spiegare tutte le osservazioni fatte. Perciò fu ideato all’inizio del 20 secolo il modello quantistico dell’atomo. E’ un complesso modello matematico che colma i vuoti di altri modelli.
Alcuni elementi del modello atomico di Bohr vengono mantenuti come i livelli, ma vengono alla lunga divisi in sotto livelli, altri più grandi vengono presentati in base alla loro esigenza di essere divisi.
Qui non viene a questo modello avvicinato, ma viene mostrato uno schema della permanenza degli elettroni negli orbitali.