Gli atomi sono piccoli, molto piccoli. Immaginate un pompelmo con tutti gli atomi di azoto. Se si facesse esplodere il pompelmo in modo che fosse grande come la Terra, quanto pensate che sarebbe grande ciascuno degli atomi? Le dimensioni del Regno Unito? Un campo di calcio? Un taxi londinese? Sarebbero grandi come un mirtillo. Potete immaginare che questo rende un po' difficile scoprire alcune delle proprietà più semplici di un atomo, come la sua massa. Per rappresentare la massa, utilizziamo il cosiddetto numero di massa, un valore particolarmente importante quando si osservano gli isotopi.
Il numero di massa di un atomo, noto anche come A, è il numero totale combinato di protoni e neutroni nel suo nucleo.
Come ricorderete da "Le particelle fondamentali", gli atomi hanno tre particelle subatomiche principali. In realtà ne hanno molte di più, ma in questo momento ci interessano solo il protone, il neutrone e l'elettrone. Si potrebbe anche ricordare che, mentre i protoni e i neutroni hanno masse molto simili, la massa di un elettrone è quasi inesistente. Quindi, nel calcolare la massa di un atomo, possiamo ignorare il numero di elettroni. La tabella seguente ricorda le masse e le cariche relative delle tre particelle fondamentali:
Fig. 1 - Tabella che mostra le masse e le cariche relative di protoni, neutroni ed elettroni.
Ma conoscere il numero di massa di un atomo non è molto utile, perché potrebbe contenere diverse combinazioni di protoni e neutroni. Per esempio, prendiamo un atomo con numero di massa 14. Ha otto protoni e sei neutroni, o sei protoni e otto neutroni, o forse sette di ciascuno? È qui che il numero atomico torna utile.
Il numero atomico di un atomo, Z, è solo il numero di protoni nel suo nucleo.
Il numero atomico ci dice anche esattamente di quale elemento della tavola periodica fa parte, poiché tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni.
Perché usiamo la lettera A per rappresentare il numero di massa e la lettera Z per rappresentare il numero atomico? La A deriva dalla parola tedesca Atomgewicht, che significa peso dell'atomo, mentre la Z deriva dalla parola tedesca Zahl, che significa numero.
Il numero delle particelle fondamentali in un atomo
Per sapere esattamente quanti protoni, neutroni ed elettroni contiene un atomo, è necessario conoscere il suo numero di massa e il numero atomico. Ma per fortuna, la tavola periodica fornisce queste informazioni gratuitamente! Prendiamo ad esempio il carbonio.
Fig. 2 - Carbonio.
Il numero più grande, 12, è il suo numero di massa e il numero più piccolo, 6, è il suo numero atomico. Che cosa possiamo imparare da questo? Poiché il numero atomico è 6, il carbonio deve avere sei protoni. Gli atomi neutri contengono lo stesso numero di elettroni dei protoni, quindi anche il carbonio ha sei elettroni. Come ricorderete, il numero di massa è semplicemente il numero di protoni e neutroni combinati, quindi per trovare solo il numero di neutroni possiamo sottrarre il numero di protoni, il numero atomico, dal numero di massa. In questo caso, 12 - 6 = 6. Questo atomo di carbonio ha sei neutroni.
Guardiamo un altro esempio
Fig. 3 - Idrogeno.
In questo caso, l'idrogeno ha un numero di massa pari a 1 ma anche un numero atomico pari a 1, al numero intero più vicino. Deve quindi avere un protone e un elettrone. 1 - 1 = 0, quindi non ha neutroni.
Che cos'è un isotopo?
Si noterà che il numero di massa dell'idrogeno non è un numero intero. In effetti, quasi nessuno dei numeri di massa della tavola periodica lo è. Perché? I numeri di massa tengono conto degli isotopi di un elemento. Ne analizzeremo il significato più avanti, ma per ora diamo un'occhiata a cosa sia esattamente un isotopo.
Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con lo stesso numero di protoni ed elettroni, ma con un numero diverso di neutroni.
Ciò significa che gli isotopi hanno pesi atomici e numeri di massa diversi ma lo stesso numero atomico. Gli isotopi si formano naturalmente a causa della diversa stabilità delle diverse disposizioni di protoni e neutroni nel nucleo.
Gli isotopi di uno stesso elemento hanno le stesse proprietà chimiche perché hanno la stessa configurazione elettronica. Tuttavia, hanno proprietà fisiche diverse perché hanno masse diverse. Gli isotopi sono rappresentati da un piccolo numero di massa in apice a sinistra del simbolo chimico. Ad esempio, l'isotopo 12C ha una massa atomica di 12, ma l'isotopo 13C ha una massa atomica di 13, il che significa che contiene un neutrone in più.
Isotopi dell'idrogeno
L'idrogeno ha tre isotopi presenti in natura:
, noto semplicemente come idrogeno, è l'isotopo più abbondante dell'idrogeno. Ogni atomo ha un protone, un elettrone e nessun neutrone.
, noto anche come deuterio, ha lo stesso numero di protoni ed elettroni dell'idrogeno ma ha un neutrone.
, noto anche come trizio, ha anch'esso un protone e un elettrone ma ha due neutroni.
Radioattività
Il numero di neutroni in un atomo è determinato dalla stabilità relativa del nucleo. Gli elementi più leggeri, come il carbonio, sono più stabili quando hanno lo stesso numero di protoni e neutroni nel nucleo, mentre gli elementi più pesanti preferiscono avere un numero di neutroni leggermente superiore. In questo modo i loro nuclei rimangono stabili. In natura esistono atomi con troppi o troppo pochi neutroni, ma spesso sono instabili. Ciò significa che decadono e rilasciano radiazioni. Chiamiamo questi atomi isotopi radioattivi. Per diventare più stabili possono emettere una particella alfa, che è un pacchetto di due protoni e due neutroni, oppure una particella beta, che è un elettrone in rapido movimento. Questo avviene quando un neutrone si trasforma in un protone e in un elettrone. Entrambi i tipi di decadimento radioattivo modificano il rapporto tra numero di massa e numero atomico dell'atomo, rendendolo più stabile.
Che cos'è uno ione?
Sappiamo che tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni e abbiamo appena imparato che possono avere un numero diverso di neutroni. Ma cosa succede se hanno un numero diverso di elettroni?
Uno ione è un atomo che ha guadagnato o perso uno o più elettroni per formare una particella carica.
Tuttavia, gli ioni hanno lo stesso numero di protoni, quindi lo stesso numero atomico. Uno ione negativo ha guadagnato elettroni, mentre uno ione positivo ha perso elettroni, poiché gli elettroni sono carichi negativamente.
Gli ioni di uno stesso elemento hanno proprietà chimiche diverse perché hanno configurazioni elettroniche diverse. Gli atomi tendono a voler avere un guscio esterno completo di elettroni e quindi il loro numero di elettroni può cambiare drasticamente la loro reattività. Ad esempio, in natura non si trovano atomi di sodio, ma ioni di sodio positivi, Na+. Questo perché gli atomi di sodio reagiscono prontamente perdendo due elettroni in modo da avere un guscio esterno pieno.
Gli ioni sono rappresentati da un piccolo numero apice a destra del simbolo chimico che indica la carica dello ione, oppure da numeri romani. Ad esempio, il Fe³⁺ ha perso 3 elettroni dall'atomo neutro di Fe per formare uno ione positivo con una carica di +3. Questo può anche essere rappresentato come ferro (III).
Prendiamo come esempio lo ione litio, Li+. Il litio ha un numero atomico pari a 3 e quindi ha tre protoni. Se si trattasse di un atomo privo di carica, ci aspetteremmo che abbia anche tre elettroni. Tuttavia, questo ione è carico positivamente, cioè ha perso un elettrone. Pertanto, Li+ ha solo due elettroni.
Che cos'è la massa atomica relativa?
Perché i numeri di massa degli elementi non sono numeri interi? Perché i numeri di massa nella tavola periodica utilizzano la massa atomica relativa.
La massa atomica relativa è la massa media di un atomo di un elemento in un campione rispetto a 1/12 della massa di un atomo di ¹²C, tenendo conto dell'abbondanza dei diversi isotopi.
Misuriamo la massa atomica relativa sulla scala del carbonio-12, dove ¹²C ha una massa esattamente pari a 12.
Per calcolare la massa atomica relativa di un campione, rappresentare l'abbondanza percentuale di ciascun isotopo come decimale. Moltiplicare per la massa dell'isotopo e sommare tutti i valori. Questa è la massa atomica relativa.
Ad esempio, un campione di cloro può contenere il 75% di isotopo 
cloro-35 e il 25% di isotopo
0.75 x 35 = 26.25
0.25 x 37 = 9.25
26.25 + 9.25 = 35.5
Quindi la massa atomica relativa del cloro è 35,5.
Per uno sguardo più dettagliato sui numeri di massa, consultare l'articolo "Massa relativa".
Isotopi - Punti chiave
- Il numero atomico di un atomo, Z, è il numero di protoni nel suo nucleo. Il suo numero di massa, A, è il suo numero totale combinato di protoni e neutroni.
Gli isotopi di un elemento contengono un numero diverso di neutroni mentre gli ioni contengono un numero diverso di elettroni.
La massa atomica relativa può essere calcolata utilizzando l'abbondanza relativa di isotopi.
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