“Siamo polvere di stelle” 4/5-ABC dell’atomo

È in corso la migrazione dei post dal precedente blog; per vedere i post non ancora migrati visita la Presentazione. Grazie.

Cosa sono atomi, ioni, isòtopi, livelli energetici, Quanti, orbitali e molecole?

Dopo aver visto di quali elementi sono composti il corpo umano e la Terra, e dopo aver approfondito il ruolo fondamentale di quelli “essenziali” nel nostro equilibrio biologico, ma anche la scomoda presenza dei metalli pesanti e tossici (per quanto normalmente in dosi infinitesimali ed innocue), propongo un breve ripasso di chimica di base, niente però di tremendo, non preoccuparti.

Vedrai che non avrai grandi difficoltà a seguire, sono infatti qui per semplificare, non per far venire ancora più confusione. E’ necessario per poter rendere più comprensibili gli argomenti che collegano il corpo umano, il nostro pianeta e le stelle.

Se sei già pratico di chimica e fisica non ha senso che leggi questo post, vai direttamente all’Evoluzione Stellare. Se invece non ti piacciono o non ti interessano queste materie potresti in effetti anche saltarla, questa parentesi: il problema è che ti troverai a leggere passaggi e concetti che, senza questa introduzione, resteranno nebulosi e lacunosi e ti toglieranno parte del piacere di aver capito come funziona.

Grazie a questo ripasso, invece, l’argomento in generale sarà più accessibile e prenderai un pochino di confidenza con alcuni termini e processi. Resta inteso che questo post è un contributo decisamente molto basic, elementare, non vuole essere un trattato tecnico né ha la pretesa di essere esauriente e definitivo, in fondo se vuoi approfondire non hai che l’imbarazzo della scelta tra libri e internet...

L’ÀTOMO

“È la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura, che ne conserva le caratteristiche chimiche”
(l’atomo che un tempo si riteneva erroneamente indivisibile)

Per capirci, TUTTO è fatto di atomi, l’aria, l’acqua, la terra, le creature viventi, ma anche i sassi, il semaforo, la penna, il pc, il tuo smart, il tombino, una pozzanghera, lo sterco, una parete, un mattone, una scheggia di vetro, la polvere, una vite, le ossa di una carcassa animale, la tua pelle e qualunque cosa ti possa venire in mente: qualsiasi cosa è costituita da migliaia, milioni, miliardi di atomi… un numero che di solito ti farebbe impallidire!

Dentro l’atomo

Nell’atomo, che è sferico, si trovano:

• un nucleo centrale formato da nucleoni, particelle sub-atomiche (più piccole dell’atomo) cioè PROTONI (carichi positivamente quindi +) e NEUTRONI (di carica neutra perché privi di carica elettrica)

• attorno a questo nucleo “orbitano” gli ELETTRONI (di carica negativa, quindi -)

Tieni sempre bene a mente e separate queste 3 particelle e bada bene di non confonderle (i “+” e “-” ti aiutano in questo):

• protone+ e neutrone nel Nucleo
• elettrone- che “orbita“ intorno

Dimensioni particelle sub-atomiche

Si parla sempre di particelle microscopiche, quindi assolutamente non visibili ad occhio nudo (post “atomo, approfondimenti“), ma considera le loro dimensioni, per farti un’idea il più possibile corrispondente alla realtà:

• protoni+ e neutroni hanno la stessa dimensione e sono relativamente “grandi”

• gli elettroni- invece sono 2.000 volte più piccoli ed hanno quindi una massa pressoché trascurabile

Particelle piccolissime ma davvero potenti!

Il piacevolissimo blog di Davide e Sonia, “My Mayo Went Crazy“, mi aiuta a descrivere la situazione con un paio di comparazioni efficaci.

Immagina un elettrone– come un mini-cubo di 1 cm3, con massa di 1 kg: ebbene il protone, al suo confronto, peserebbe 10 tonnellate (10.000 kg), un camion insomma!

Rappresento quindi il protone+ (e il neutrone che ha dimensioni equivalenti) come un gigante.

Tra il protone e un uomo medio di 70 kg sussiste la stessa differenza in termini di massa che c’è tra quest’uomo e il pianeta GIOVE!

Il nucleo (protoni+ e neutroni) ha una densità enorme, ti basti pensare che per ottenere la stessa densità dovresti comprimere in un cubetto da 1 cm3 la massa di ben, tieniti forte, 1 milione di camion da 10 tonnellate ciascuno!

L’elettrone-, pur avendo una massa 10.000 volte più piccola del protone+, porta una carica elettrica opposta ma equivalente, quindi si fa valere!

“Massa” e carica elettrica: attenzione!

Ho parlato di “massa“, termine che nel linguaggio comune non si usa, spesso venendo confuso con “peso”, mentre è correttamente utilizzato in fisica ed astronomia. Due definizioni per aiutarti a distinguere i due concetti:

la massa è la quantità di materia che costituisce un corpo

• mentre il peso (“forza peso” in realtà) è la forza con cui il corpo viene attratto dalla Terra (nel nostro caso ovviamente)
  (in situazione di microgravità come sulla Base Spaziale, ad esempio, gli astronauti galleggiano, ma questo non significa che hanno perso o non hanno massa)

la massa è una grandezza intrinseca di un corpo

• mentre il peso di un corpo dipende dal luogo geografico in cui viene misurato
  (ne consegue che sulla Terra sei leggermente meno pesante all’equatore piuttosto che ai poli – la Terra non è una sfera perfetta bensì schiacciata ai poli – e con l’altezza lo stesso, infatti a 2.000 metri pesi circa la metà!)

la massa resta quindi costante e si misura in kg

• mentre il peso dipende dall’accelerazione di gravità e si misura in Newton N
  (la forza peso sulla Luna è ben 6 volte più piccola)

Il “peso” quindi è l’effetto prodotto su tale massa dalla presenza della forza di gravità. Che sia sul nostro pianeta o su qualsiasi altro corpo celeste, vale la regola:
– più è grande la massa, più pesi (attento: la massa, non la dimensione)
– più (sulla superficie) sei lontano dal centro, meno pesi

Guarda che forte l’esperienza interattiva qui sotto, con un solo movimento puoi verificare quanto peseresti sugli altri pianeti del nostro Sistema!

Qui sotto la stessa simulazione, basata però su una persona che pesa 75 kg.
Se però sei pignolo/a e vuoi assolutamente conoscere quale sarebbe il tuo peso preciso senza dover andare a Dublino, anzi senza neanche spostarti dal computer o da dove sei in questo momento con il tuo smart, puoi cliccare al link di Exploratorium, inserire i tuoi kg e divertirti a vederti ingrassare o dimagrire qua e là (hanno aggiunto anche qualche luna di Giove e qualche stella (Sole, Nana Bianca, Stella di Neutroni).

Quindi l’elettrone-, che ha una massa trascurabile essendo così tanto più piccolo del protone+, ha tuttavia una carica elettrica (opposta a quella del protone+) che equivale a quella del protone+, anche se di segno opposto. L’elettrone- per questo motivo resta una particella fondamentale.

Inoltre il raggio dell’atomo (gli atomi hanno raggi compresi tra 0.25 e 3 A=Angstrom) è enormemente più grande del raggio del nucleo (in foto 1/100.000=1 Fermi), il che vuol dire che c’è moltissimo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni- che gli “orbitano” intorno (non perdere il piccolo ma affascinante post “atomo, approfondimenti“).

Caratteristiche dell’atomo

“Stato fondamentale” – stato a minor energia

• il numero di elettroni- dev’essere uguale a quello dei protoni+ nel nucleo, per bilanciare le cariche e far si che l’atomo (e quindi la materia) sia privo di carica elettrica in condizioni di normalità (atomo neutro).

L’immagine di apertura dell’atomo con i protoni+ rossi e neutroni ed elettroni- azzurri è semplicisticamente schematica perché in realtà sono ben diverse le caratteristiche dell’atomo.

Elettroni-: sono davvero “orbite”?

Se avrai notato, ho sempre messo le virgolette alla parola “orbita” quando parlo di elettroni-: questo perché in effetti, non potendo osservare la loro traiettoria, non sappiamo “come” essi si muovano intorno all’atomo!

Di sicuro però sappiamo che:

• NON sono le “orbite” classiche che hai in mente quando pensi ai pianeti che orbitano intorno ad una stella (post “atomo, approfondimenti“)
• si muovono in un’area circoscritta e definita, e lì è più probabile incontrarli
• gli elettroni- hanno un disturbo dissociativo dell’identità, a volte si comportano come particelle, a volte come onde!

• gli elettroni- si muovono tutt’intorno al nucleo in una nuvola vorticosa e su più strati

Dimensioni Nucleo

• il nucleo è al centro di quella nuvola, molto ma veramente tanto più piccolo

Numerosità elettroni-

• gli elettroni- possono essere molto numerosi
  l’Idrogeno H ha solo un protone+ e un elettrone-, quindi il nucleo è il più piccolo, mentre il Rame Cu ha ben 29 protoni+ e quindi un nucleo molto più grosso e di conseguenza anche la nuvola energetica è più grande essendoci 29 elettroni distribuiti su livelli diversi

Comparazione nucleo/elettrone–

• considera, guardando le rappresentazioni sopra e sotto, che in questi casi decisamente i nuclei non sono in scala, essendo molto ma molto più piccoli rispetto all’orbita dell’elettrone

• i 2 nuclei non sono corretti neanche in proporzione perché l’atomo di Idrogeno in realtà avendo un solo protone+ sarebbe molto più piccolo, il più piccolo e leggero degli atomi

Qui è confrontato l’atomo di Idrogeno con l’atomo di Uranio che ha addirittura 92 protoni+ e 92 elettroni-.

Dinamica di riempimento dei livelli energetici

• senza entrare troppo nei dettagli, perché sarebbe complicato, sappi che gli elettroni- si distribuiscono a partire dai livelli energetici o gusci più interni e vicini al nucleo, e via via riempiendo quelli più esterni secondo però quantità ben precise, “quantizzate“
  (nel primo livello al massimo in 2; negli altri livelli al massimo in 8, ma parlo degli elettroni superficiali!)

Reale dimensione nucleo

• il nucleo, costituito da protoni+ e neutroni, dovrebbe essere più piccolo della capocchia di uno spillo

• un elettrone- è molto, molto più piccolo del protone (2.000 volte), quindi ha una massa trascurabile, pur avendo però carica elettrica negativa di grandezza uguale a quella positiva del protone+.
  Le cariche elettriche di polarità opposta sono quindi uguali, nonostante la grande differenza nelle dimensioni delle particelle, per cui si annullano a vicenda in caso di numero uguale di protoni+ ed elettroni-

Qualche numero:

• l’atomo è 1 metro diviso 50 miliardi

• il protone+ è 5.000 volte più piccolo dell’atomo

• l’elettrone- è 10.000 volte più piccolo del protone+

Sopra, le dimensioni dell’atomo di Idrogeno H, in metri. Dall’atomo all’elettrone- un salto di ben 7 gradini.

“Repulsione Coulombiana” e “Interazione Nucleare Forte”

Ehi !!! Che succede !? Piano con questi paroloni!
Non avevo detto che dovevo spiegare le cose in maniera semplice e che ti sarebbe stato facile seguire il discorso?! Si, è così, sta tranquillo, non farti prendere dal panico, rilassati e vai avanti…

A questo punto, però, ti sarai forse già posto una legittima domanda fondamentale che nasce da una considerazione.

Considerazione

Hai mai provato ad avvicinare tra loro due calamite dello stesso segno, con il risultato tangibile che non ne vogliono proprio sapere di avvicinarsi, figuriamoci toccarsi e stare insieme? Ecco, ti faccio vedere … ovviamente ho un po’ esagerato lo sforzo e la distanza, ma credo renda no?

Bene, la forza repulsiva che si esercita tra corpi portatori di una carica elettrica dello stesso segno (tra elettroni- ma anche tra protoni+), quella forza si chiama “Repulsione coulombiana”.

Domanda fondamentale

Ma i singoli protoni+, con la carica elettrica dello stesso segno, non dovrebbero appunto respingersi tra loro per via di tale repulsione!?

Risposta

Beh, ottima domanda, complimenti!
Effettivamente dovrebbero respingersi violentemente, ma interviene una forza, una “colla”, capace di “unire” tra loro i protoni+ vincendo appunto la “repulsione coulombiana”, e guarda caso, per tenerli insieme sono necessari anche i neutroni.

Tale forza vale tra singoli protoni+, tra singoli neutroni, ma anche tra protoni+ e neutroni ed è chiamata Interazione Nucleare Forte (non perderti il post “atomo, approfondimenti“).

In realtà tale forza agisce sulle particelle di cui sono costituiti protoni+ e neutroni, i Quark (up e down), tramite i Gluoni (inglese “glue” = colla), ma non è questa la sede dove approfondire.

Da 118 a 3!
L’arte della semplificazione.

118 sono gli elementi chimici fondamentali (mentre in passato erano 90), ma grazie a questa scoperta la struttura della materia viene semplificata e ridotta a 3 particelle.

Tutta la materia conosciuta è solo una differente combinazione delle stesse 3 particelle:
– protoni+
– neutroni
– elettroni-

Numero di Massa atomica “A“ – differenzia

Quello che differenzia gli elementi chimici non è altro che il numero di protoni+ presenti nel nucleo. Infatti poiché i protoni+ ed i neutroni pesano circa 2.000 volte di più degli elettroni-, è il loro numero a determinare la Massa Atomica “A” degli atomi, nel riquadro il numero a sinistra in alto (più protoni+ e neutroni ci sono, più l’atomo è pesante).

Numero atomico “Z“ – proprietà chimiche

Inoltre il numero di protoni+ e quindi di elettroni- presenti nell’atomo neutro (cioè il Numero Atomico Z) ne determina le proprietà chimiche.
Il numero di neutroni per un elemento può non essere costante, e questo spiega perché alcuni elementi hanno un peso atomico, misurato come peso ponderato di isòtopi (atomi di uguale numero atomico ma diversa massa atomica) non multiplo esatto del peso del protone+.

IONE⁺/ IONE^–
l’atomo eccitato

Giungiamo poi allo Ione che è invece una particella dotata di carica elettrica, data da un atomo (o una molecola) che abbia perso o acquistato 1 o più elettroni-.

• se ha perso 1 o più elettroni- lo ione ha carica positiva ed è detto catione o Ione+ (indicato con tanti “+” quanti sono gli elettroni- persi)

• se ha acquistato 1 o più elettroni- ha carica negativa e viene chiamato anione o Ione- (indicato con tanti “-” quanto sono gli elettroni- acquistati)

Molto più semplicemente segui questo esempio, dove per comodità trascuriamo momentaneamente i neutroni, sarà molto più chiaro
(*ricordati che un atomo o un raggruppamento di atomi non possono mai perdere protoni+).

Atomo neutro
(Stato Fondamentale)

Partiamo dall’atomo “neutro”, che ha 6 cariche positive (protoni+ blu) e 6 cariche negative (elettroni- rossi), quindi privo di carica elettrica perché +6 -6 = 0.

Ione⁺ = Catione
(Energia di Ionizzazione)

Se l’atomo perde un elettrone- la sua struttura assume una carica positiva perché i protoni+ sono più numerosi, diventando così un catione o Ione⁺, infatti +6 -5 = +1.

Qui abbiamo ad esempio un atomo di Na cioè Sodio (11 protoni+ e 11 elettroni-, figura a sinistra): perdendo l’elettrone- che si trova nell’ultima orbita, l’atomo diventa uno Ione⁺ o catione di Na (Na⁺), dove ora l’ultima orbita è completa (ottetto).

Solo per accennarlo, il processo per cui l’elettrone- si stacca dall’atomo neutro è detto Ionizzazione e l’energia necessaria per strappare ad un atomo neutro un elettrone- si chiama energia di ionizzazione.

*Quando si parla di ionizzazione in alta atmosfera, si intendono quindi Ioni⁺ o cationi, che è bene sapere che sono dannosi per l’essere umano

*Un esempio invece molto concreto e quotidiano di ionizzazione al servizio della nostra alimentazione si ha normalmente quando si scioglie il sale in cucina, con l’acqua, ad esempio. Il cloruro di sodio si trasforma in cloro- e sodio+… e noi mangiamo la pasta senza problemi.

Ione^– = Anione
(Affinità Elettronica)

Se l’atomo acquista invece un elettrone- la sua struttura assume una carica negativa perché gli elettroni- sono più numerosi, diventando così un anione o Ione^–, infatti +6 -7 = -1.

Abbiamo così la situazione opposta: un atomo di Cl cioè Cloro (17 protoni+ e 17 elettroni-, figura a sinistra) che acquista 1 elettrone- e diventa così uno Ione^– o anione di Cl (Cl^–). Ha assunto una carica negativa perché diventano più numerosi gli elettroni (+17 -18 = -1).

Sempre solo per accennarlo, la tendenza di un atomo neutro ad acquistare invece elettroni- si misura con l’Affinità Elettronica, che è quindi l’energia spesa per introdurre un elettrone- in un atomo neutro o anche l’energia emessa da un atomo neutro per addizione di un elettrone-.

*Al contrario degli Ioni⁺, gli Ioni^– o anioni, cioè gli atomi che hanno acquistato 1 o più elettroni-, fanno tanto bene alla salute e ne è piena la natura nella Troposfera. Anche solo accendendo una lampada al sale si può fruire di questi benèfici atomi.

Riepilogo

Se hai seguito bene, dovresti essere in grado di comprendere ora lo schema della scheda riassuntiva sottostante:
– al centro abbiamo l’atomo neutro con uguale numero di protoni+ ed elettroni-
– verso destra perde 1 elettrone- e si trasforma quindi in Ione⁺ tramite ionizzazione EI
– verso sinistra acquista 1 elettrone- e si trasforma quindi in Ione^– per affinità elettronica AE

EI = Energia di Ionizzazione che strappa 1 elettrone- e si va verso destra
AE = Affinità Elettronica che addiziona 1 elettrone- e si va verso sinistra

• i protoni+ ed i neutroni costituiscono il nucleo, mentre gli elettroni- vi girano intorno

• un elemento è diverso da un altro per il numero di protoni+ e quindi di elettroni- presenti nell’atomo (numero atomico Z) allo stato neutro

• l’atomo in condizioni normali è neutro, non presenta carica elettrica, per cui il numero di protoni+ deve essere uguale al numero di elettroni-. Vedi nell’immagine sotto, chiaramente, che se le 2 diverse particelle (in arancione protone+ e piccolo in giallo elettrone-) sono in numero uguale, facendone la somma ovviamente la carica si annulla diventando 0.

Per quanto riguarda i neutroni ? Ti presento gli ISÒTOPI

Per i neutroni il discorso è diverso: 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 Isòtopi (in questo caso le particelle arancioni protoni+ e piccole verdi elettroni- sono in numero uguale; ciò che invece cambia è il numero di neutroni grigi: 0, 1 e 2 per lo stesso tipo di elemento).

Come vedi ben riassunto in modo semplice qui sotto, abbiamo i 3 isòtopi del Carbonio, che significa:

• numero di Protoni+ ed Elettroni- resta uguale (numero Atomico Z)

• numero di neutroni cambia: 6, 7 e 8 (ci sono infatti più pallini azzurri, chiaro no?)

• di conseguenza anche il Numero di Massa atomica A (il “peso” dell’atomo dato dalla somma di protoni+ e neutroni) cambia:
  – Carbonio 12 (6+6)
  – Carbonio 13 (6+7)
  – Carbonio 14 (6+8)

Qualche altra immagine di isòtopi. Protoni+ ed elettroni- in numero sempre uguale, cambia invece il numero di neutroni (ricordo, di carica nulla e che contribuiscono alla Massa atomica):
– Idrogeno ¹H (z = 1; a = 1)
– Deuterio ²H (z = 1; a = 2)
– Trizio ³H (z = 1; a = 3)

Sotto abbiamo gli isòtopi dell’Idrogeno (¹H, ²H, ³H) e del Carbonio (¹²C, ¹³C, ¹⁴H) confrontati.

Elettroni- e Livelli Energetici

Orbite – Gusci

• gli elettroni- si dispongono ad una certa distanza dal nucleo formando 7 strati/gusci elettronici (le “orbite” secondo la meccanica classica), partendo dal guscio più interno per poi occupare progressivamente gli altri

Livelli di Energia dei Gusci

• ogni guscio ha un’energia caratteristica (quantizzata) detta livello energetico

• ogni livello (cioè l’energia del guscio) è costituito da 4 sottolivelli detti orbitali (s, p, d, f), ciascuno con energie definite e caratteristiche (quantizzate)

• ogni orbitale (rappresentato come quadratino oppure linea orizzontale) contiene al massimo 2 elettroni-, ognuno rappresentato da una freccia, che è il vettore spin, e se sono in due, antiparallele

Per aiutarti a visualizzare, immagina gli elettroni- come minuscole trottole che ruotano attorno al proprio asse e quindi possiedono un momento angolare o “spin”

• precisazione: il fatto che ci siano 2 elettroni- in un singolo orbitale è dovuto al “Principio di esclusione” di W. Pauli. Avrai già sentito parlare diverse volte in televisione o su internet di Fermioni e Bosoni.
  Gli elettroni- sono Fermioni e questo Principio equivale solo per loro.

Sono chiamati “Fermioni” in onore di Enrico Fermi e assieme ai Bosoni sono 2 delle famiglie in cui si dividono le particelle. In pratica i Fermioni hanno sempre massa (mentre i Bosoni non sempre) e hanno spin semintero (1/2, 3/2, 5/2 …) mentre i Bosoni intero.
In pratica Bosoni e Fermioni presentano proprietà diverse di simmetria sotto lo scambio di 2 particelle (per i bosoni sempre simmetriche, per i fermioni sempre anti-simmetriche – quindi proprio le frecce in direzioni opposte che ti dicevo)

• gli elettroni- piazzati nei livelli più lontani dal nucleo sono più ricchi di energia (livello energetico superiore p>d>f), mentre, per contro, quelli situati nei livelli o strati più vicini al nucleo hanno meno energia (livello energetico inferiore d>p>s), un po’ come la carica di queste pile…

• qui sotto sono rappresentati solo 4 livelli perché i livelli successivi al primo presentano al massimo la struttura di orbitali del quarto livello

• l’ordine di riempimento poi di questi livelli è abbastanza complicato all’inizio da capire, e ti rimando al post dove faccio una breve sintesi della Tavola Periodica degli Elementi (rammenta però la “regola di Hund” per gli orbitali aventi la stessa energia come i “p”, ovvero che prima si riempiono solo con uno spin, poi con lo spin contrario)

“Voglio 8 elettroni- superficiali !”
La Regola dell’ottetto

• gli elementi che possiedono 8 elettroni superficiali risultano particolarmente stabili, inerti (manifestano pochissima tendenza a reagire con altri elementi chimici, e questa è una condizione altamente desiderabile): è il caso dei “gas nobili“, qui sotto l’ultima colonna, corrispondente al gruppo 8A, in azzurro

• mentre le “orbite” interne sono piene di elettroni- (secondo però una formula ben precisa che ha a che fare con i Numeri Quantici), l’ultima orbita può essere riempita completamente oppure restare non completa: di conseguenza si avviano tutta una serie di possibili scambi energetici secondo la “regola dell’ottetto”

• gli altri elementi che possiedono configurazioni elettroniche simili a quella dei gas nobili tendono a perdere o ad acquistare elettroni per raggiungere tale configurazione particolarmente stabile e desiderabile

tutti gli elementi infatti “desiderano” avere l’ultima orbita completa (ottetto), un po’ come dire una certa serenità e stabilità e basta stress!

Configurazione elettronica superficiale

• gli atomi utilizzano prevalentemente gli elettroni del loro livello energetico più esterno (elettroni superficiali o elettroni di valenza) per interagire e legarsi tra loro (reattività)

• infatti alcuni atomi si legano facilmente tra loro, mentre altri rimangono isolati, tutto ciò avviene per via degli elettroni- del guscio più esterno appunto

• se un atomo contiene nel guscio più esterno 8 elettroni-, allora è chimicamente stabile

• se invece un atomo contiene nel guscio esterno meno di 8 elettroni-, allora è chimicamente instabile e reattivo

Metalli – Ioni⁺ – cationi

sono elementi che tendono a reagire perdendo elettroni-, in questo modo rimangono con l’orbita sottostante completa diventando catione o Ione⁺

Non metalli – Ioni^– – anioni

sono elementi che tendono a reagire acquistando elettroni-, in questo modo completano l’orbita diventando anione o Ione^–

—Altri ancora si uniscono mettendo in comune elettroni- (fino ad avere nell’ultimo strato un assetto completo di elettroni-)

ma quanti elettroni- possono stare in ciascun livello energetico o guscio?

Avevo accennato a massimo 2 elettroni- nel primo livello e massimo 8 nei livelli successivi, parlando però di elettroni- superficiali, ma qui il discorso – pur importantissimo ed affascinante – diventa complesso e porta lontano dallo scopo di questo blog, per cui basta solo un accenno.

Entra in gioco la meccanica quantistica, ma attento, non quella i cui termini sono stati distorti e fantasticamente interpretati alla maniera “New Age”, NO! Devo proporti termini che probabilmente avrai già sentito (e pensare che in 2^ superiore ero stato interrogato su questo argomento): Quanti e orbitali.

i QUANTI
Meccanica Quantistica – Salto Quantico

L’elettrone- è una particella che ha associata una certa quantità di energia e che può emettere radiazioni elettromagnetiche (radio, microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi x, gamma). Inoltre è elettricamente negativa e si muove intorno al nucleo positivo.

Questa energia non può avere un qualsivoglia valore ma deve avere certi valori precisi, distinti, ossia quantizzati, esattamente come, nella figura sotto, ciascun scalino.

L’energia insomma arriva (rappresentata dall’onda verde) …

…ma solo la quantità di energia sufficiente fa saltare l’elettrone- al livello superiore:
– se l’energia è sufficiente salta ai livelli superiori (l’elettrone- 1 nel livello “p” in tre posizioni precise)
– altrimenti non salta (nel primo esempio l’elettrone- 1 non ha sufficiente energia per saltare)

Dinamica dei “salti quantici” dell’elettrone-

Gli elettroni- occupano certe regioni dello spazio corrispondenti a livelli energetici quantizzati. Mentre l’elettrone- si muove in un certo livello non emette né assorbe energia, è in equilibrio e l’atomo neutro (stato fondamentale).

Un atomo nel quale qualche elettrone occupi un livello energetico superiore a quello normale si dice allo stato eccitato; esso comunque tende a ritornare allo stato fondamentale emettendo l’energia che aveva assorbito nell’eccitarsi.

Meglio vedere brevemente come avviene questo passaggio attraverso qualche immagine chiarificatrice.

Dal fondamentale all’eccitato e viceversa, però al rallentatore

Se l’elettrone- salta ad un livello energetico superiore più lontano dal nucleo, assorbe energia … in altre parole, se l’atomo viene colpito da una quantità sufficiente di energia …

… tale energia fa saltare l’elettrone- direttamente …

… al livello superiore, quindi o salta lì oppure non salta, l’energia deve essere giusta!

Se invece l’elettrone- salta ad un livello energetico inferiore, più vicino al nucleo, lo fa emettendo energia …

… in altre parole quando ritorna al livello inferiore (come normalmente tende a fare), emette la stessa quantità di energia che lo aveva fatto saltare, spesso sottoforma di radiazione luminosa ovvero luce (grandioso ed ipnotizzante esempio sono le Aurore).

Poi, il colore dell’energia emessa sotto forma di luce dipende dalla struttura dell’atomo di quel dato elemento chimico e da qui si arriva allo spettro di emissione e di assorbimento, ma non è questa la sede.

Una chiara animazione per te!

• prima un Quanto di energia (quantità discreta di energia) arriva nel primo livello e l’elettrone- lo assorbe eccitandosi e saltando al livello superiore (stato eccitato)
• dopo un certo intervallo di tempo (vedi Aurore “i colori“) l’elettrone- torna per sua tendenza naturale allo stato fondamentale, al livello originario inferiore, e nel farlo emette la stesso quanto di energia in forma luminosa

Ovviamente l’orbita come detto è semplificata per esigenze di esemplificazione.

Ma questa energia che provoca il salto, come deve essere?

Come anticipato poco fa, per provocare il salto deve esserci la quantità giusta o sufficiente; se arriva meno energia l’elettrone- non l’assorbe, se arriva più energia assorbe quella che serve per il salto e rifiuta l’eccesso. Quindi tradotto assorbe una quantità di energia quantizzata!

Orbitali

A differenza della meccanica classica, la meccanica quantistica è una teoria delle probabilità, quindi non dice che gli elettroni- vivono su orbite fisse, ma fornisce la probabilità di trovarli ad una certa distanza dal nucleo. Il valore più probabile, per ogni orbita, coincide con quello trovato con il modello semi-classico.

Non si parla quindi più di orbite, ma di “orbitali” (post “atomo, approfondimenti“).
Le dimensioni, la forma e l’orientamento degli orbitali sono descritti dai
“numeri quantici“. Qui do solo un brevissimo accenno, per capire almeno a cosa servono.

Sono 4 e forniscono informazioni preziose sugli elettroni-:

1) il principale n

• la loro energia e il numero massimo per livello (il primo ne ha sempre solo 2)

2) il secondario o orbitale l

• la forma e la grandezza degli orbitali del sottolivello (4 tipi di orbitali diversi; s, p, d, f)

3) il magnetico m

• il movimento rotatorio su loro stessi o spin (perché gli elettroni- ruotano anche su se stessi come la Terra – ricordi la trottola?)

4) quello di spin o rotazionale

• l’orientamento magnetico (perché gli elettroni-, essendo una carica elettrica in movimento, creano anche un campo magnetico)

Tipi, forme e orientamento di orbitali:

• “s” che è sferico (in rosso)
• “p” che è a 2 lobi (in giallo)
• “d” che è a 4 lobi (in blu)
• “f” che è a 8 lobi (in verde)

Numeri Quantici e probabilità di presenza dell’elettrone-

Molecole

Senza entrare nel merito dei “legami chimici” (che qui non è necessario affrontare anche perché servirebbe un altro post solo per loro), un accenno minuscolo alle molecole: una molecola è un gruppetto di atomi legati gli uni agli altri attraverso speciali legami, appunto i legami chimici.

I legami si possono creare proprio perché le particelle di cui sono fatti gli atomi sono elettriche, cioè hanno la proprietà di attrarsi, e quindi di legarsi.

Una molecola può essere composta da più atomi dello stesso elemento o di elementi diversi e identifica una sostanza, di cui costituisce l’unità fondamentale.

Per definizione una molecola è “la più piccola quantità di una sostanza in grado di conservarne la composizione chimica e di determinarne le proprietà e il comportamento chimico e chimico-fisico”

Ecco qua, sei ancora vivo?
Forza, di la verità, che non è stata poi una parentesi così faticosa; in fondo sono concetti di base che però, riletti anche in seguito oppure ogni volta che ti fa comodo, tornano infinitamente utili per accedere ad argomenti più avanzati di astronomia senza sentirsi persi in pieno deserto.

Link della serie:
– “Siamo polvere di stelle” 1/4 – corpo umano e ambiente terrestre
(Elementi e chimica: il “continuo ciclo degli elementi tra le sfere terrestri, litosfera, atmosfera, idrosfera, biosfera”)
– “Siamo polvere di stelle” 2/5 – gli elementi nel corpo umano
(4 costitutenti, 7 macro e 39 micro e oligo elementi, di cui 19 essenziali)
– “Siamo polvere di stelle” 3/5_A – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, tutti gli essenziali)
– “Siamo polvere di stelle” 3/5_B – l’armonia di sostanze e minerali
(ruoli fisiologici, caratteristiche, funzioni e tossicità delle “vitamine inorganiche” essenziali; “uno per uno i 50”, i non essenziali ed “elenco dei materiali di Bio-edilizia”)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5-ABC dell’Atomo
(breve ripasso di chimica e fisica propedeutico all’evoluzione stellare: atomi, ioni, isotopi, livelli energetici, Quanti e molecole)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5-Atomo, approfondimenti
(5 affascinanti approfondimenti sull’atomo: è vuoto? com’è la sua vita? le 4 interazioni fondamentali? si può fotografare? orbite o orbitali?)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica degli Elementi
(ultimo passo propedeutico all’Evoluzione Stellare; non può mancare un breve ripasso della Tavola scientifica più famosa)
– “Siamo polvere di stelle” 4/5 – Tavola Periodica, integrazioni
(non devi assolutamente perderti la PTE del “corpo umano” e il “Chemical Party”, oltre alle Tavole dinamiche e alternative)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_1ob – Evoluzione stellare: origini e nascita
(1ob – dalla nascita all’età adulta: si accende o non si accende questa stella? Primo scoglio delle 0,08 masse solari!)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_2mss – Evoluzione stellare: Sequenza e Sole
(2mss – Sequenza e Sole: l’età adulta nella Sequenza Principale e il destino di stelle come il Sole e più piccole, secondo scoglio delle 4 masse solari!)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_3dt – Evoluzione stellare: morte e trasformazione
(3dt – Morte e Trasformazione: le stelle molto più massicce del Sole hanno “le ore sempre più contate”, cosmicamente parlando, e quando esplodono lasciano un testimone davvero eccezionale! Terzo scoglio delle 8 masse solari)
– “Siamo polvere di stelle” 5/5_4tcd – Evoluzione stellare: danze turbolente catastrofiche
(4tcd: Turbulence Catastrophic Dances: sconfinati spazi “vuoti” e poi zone infernali dinamiche caotiche apocalittiche. Sistemi binari e multipli di tutti i tipi immaginabili ti stupiranno in questa lunga carrellata)

Link utili:
– “Steam a domicilio, Pianeti“, il peso della Tata sugli altri pianeti, di Erica Amplo, founder, Steam education specialist, “La Tata Robotica” – STEAM Science Technology Engineering Arts Mathematics, “Scienza e tecnologia, interpretate attraverso l’ingegneria e le arti, tutte basate su elementi matematici”. ™
– “Come è fatto l’atomo: protoni incatenati, elettroni che scompaiono e il vuoto ribolle“, di MMWC – My Mayo Went Crazy, Davide e Sonia

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