Atomi e molecole

L'ATOMO

L'atomo (dal greco ἄτομος - àtomos -, indivisibile, unione di ἄ - a - [alfa privativo] + τομή - tomé - [divisione], così chiamato perché inizialmente considerato l'unita più piccola ed indivisibile della materia, risalente alla dottrina dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro, detta atomismo) è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche.
Verso la fine dell'Ottocento (con la scoperta dell'elettrone) fu dimostrato che l'atomo non era indivisibile, bensì a sua volta composto da particelle più piccole (alle quali ci si riferisce con il termine "subatomiche"). In particolare, l'atomo è composto da un nucleo carico positivamente e da un certo numero di elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno senza un'orbita precisa (l'elettrone si dice quindi "delocalizzato"), nei cosiddetti "gusci elettronici". Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni, che sono particelle prive di carica: protoni e neutroni sono detti nucleoni. In proporzione, se il nucleo atomico fosse grande quanto una mela, gli elettroni gli ruoterebbero attorno ad una distanza pari a circa un chilometro; un nucleone ha massa quasi 1800 volte superiore a quella di un elettrone.

Si definiscono due quantità per identificare ogni atomo:

- Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo
- Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo, che corrisponde al numero di elettroni esterni ad esso.

Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico
Esiste una grandezza che ne quantifica la massa, definita peso atomico (più correttamente "massa atomica"), espresso nel SI in unità di massa atomica (o uma), dove una unità di massa atomica equivale alla dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (12C). Il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero dei protoni nel nucleo: essendo le predette cariche di valore assoluto uguale, un atomo è normalmente elettricamente neutro e pertanto la materia è normalmente elettricamente neutra. Tuttavia esistono atomi che perdono o acquistano elettroni, ad esempio in virtù di una reazione chimica: la specie che ne deriva si chiama ione; gli ioni possono essere quindi di carica positiva o negativa.
Gli atomi aventi lo stesso numero atomico hanno le stesse proprietà chimiche: si è dunque convenuto a definirli appartenenti allo stesso elemento.
Due atomi possono differire anche nell'avere numero atomico uguale ma diverso numero di massa: simili atomi sono detti isotopi ed hanno medesime proprietà chimiche. Ad esempio l'atomo di idrogeno ha più isotopi: in natura infatti esso è presente in grande maggioranza come 1H (formato da un protone ed un elettrone) e in minore quantità da 2H (o deuterio, che è formato da un protone, un neutrone ed un elettrone) e 3H (o trizio, estremamente raro, formato da un protone, due neutroni ed un elettrone). Dal punto di vista chimico, idrogeno, deuterio e trizio presentano identiche proprietà.

LA MOLECOLA

Si definisce molecola(dal latino scientifico "molecula", derivato a sua volta da "moles": mole, "piccola quantità") il più piccolo insieme di atomi aggregati da legami chimici, capace di esistenza allo stato libero e tale da mantenere tutte le proprietà chimiche della sostanza considerata (elemento o composto non ionico). Può essere monoatomica, cioè costituita da un solo atomo (è il caso dei cosiddetti gas nobili elio, argon, xeno, neon e metalli), o poliatomica, cioè costituita da più atomi, uguali (omoatomica) o diversi (eteroatomica).
Una molecola poliatomica è elettricamente neutra ed è formata da atomi uniti da legami covalenti; a causa di ciò, i rapporti tra i numeri degli atomi degli elementi che la costituiscono sono espressi da numeri interi. La formula bruta di un composto molecolare altro non è che l'elenco degli elementi che formano la molecola e dell'abbondanza relativa di ognuno di essi. Molecole costituite dagli stessi atomi, ma disposti nello spazio in maniera diversa sono dette isomeri.
La forma di una molecola, ossia le lunghezze e il numero dei legami tra un atomo e l'altro, l'angolo formato da due legami appartenenti allo stesso atomo ed, in generale, la disposizione della molecola nello spazio, sono regolate dalle leggi della meccanica quantistica.Dalla struttura della molecola dipendono la reattività della molecola stessa e le proprietà fisiche della sostanza.
Una molecola è polare quando il centro della carica positiva (dovuta alla disposizione dei nuclei degli atomi) non coincide con il centro della carica negativa (dovuta alla disposizione degli elettroni della molecola); questo rende la molecola un dipolo elettrico, la cui intensità è indicata dal corrispondente momento dipolare. Le molecole polari tendono ad attrarsi vicendevolmente ed a circondare gli ioni dei composti ionici. L'esempio più comune di molecola polare è l'acqua, da qui il fatto che le sostanze polari vengano anche chiamate idrofile.
Una molecola è apolare quando i centri delle cariche elettriche positiva e negativa coincidono. I composti apolari non hanno cariche elettriche superficiali, quindi non si mischiano alle sostanze polari né si sciolgono in esse, da qui il nome di sostanze idrofobe. Esempi comuni di sostanze apolari sono gli oli o gli idrocarburi.
Molte sostanze comuni sono composte da molecole (l'acqua, lo zucchero da tavola, i gas che costituiscono l'aria), mentre altre sostanze altrettanto comuni non lo sono (il sale ed i metalli, per esempio).
L'insieme di 6,0221415 · 1023 (Numero di Avogadro) molecole di un composto rappresenta una mole del composto stesso. Il suo peso in grammi coincide con il peso molecolare espresso in unità di massa atomiche.

Composto organico

Viene attualmente definito composto organico qualsiasi composto del carbonio in cui questi abbia numero di ossidazione inferiore a +4. Sono pertanto esclusi il biossido di carbonio, l'acido carbonico e i suoi sali, ovvero i bicarbonati e i carbonati. Il monossido di carbonio, benché abbia un carbonio con numero di ossidazione inferiore a +4 e quindi sia incluso nella definizione, è comunque considerato un composto inorganico.
L'aggettivo "organico" ha origini storiche; anticamente si pensava infatti che le sostanze estratte da tessuti provenienti da organismi viventi, vegetali o animali, possedessero proprietà peculiari derivanti proprio dalla loro origine "organica" e che quindi non potessero essere sintetizzate o che i loro equivalenti sintetici fossero diversi per la mancanza di queste particolari proprietà. La sintesi in laboratorio dell'urea e la constatazione che l'urea sintetica ha le medesime proprietà chimico-fisiche di quella estratta dall'urina fecero cadere questo assunto e portarono alla definizione di "composto organico" attualmente in uso.
In generale i composti organici sono costituiti da uno scheletro di carbonio e idrogeno legante qualche eteroatomo che può essere: ossigeno, azoto, zolfo, fosforo, silicio.Nelle strutture di questi composti si trovano dei gruppi ricorrenti di atomi e legami che conferiscono alla molecola proprietà e reattività tipiche. Tali gruppi vengono detti gruppi funzionali e i composti vengono suddivisi in classi a seconda del gruppo o dei gruppi che la molecola presenta. Questo tipo di suddivisione prende il nome di sistematica organica.

I legami chimici

Si ha un legame chimico quando una forza di natura elettrostatica tiene uniti più atomi in una molecola o in un cristallo (legami forti, o intramolecolari) o più molecole in una sostanza allo stato condensato (legami deboli, o intermolecolari). La natura del legame chimico si può spiegare facilmente osservando le forze coulombiane interagenti tra le molecole. Prendiamo ad esempio il catione H2+: esso è costituito da due nuclei di H e da un elettrone. Indichiamo con Ha il primo nucleo di idrogeno e con Hb l'altro nucleo di idrogeno. A ciascuno dei due nuclei è associata una funzione d'onda elettronica, rispettivamente 1sa e 1sb, la cui combinazione lineare forma l'orbitale molecolare Ψ.
Ψ avrà valori bassi tra i due nuclei, mentre crescerà avvicinandosi ad essi e poi decrescerà allontanandosi nuovamente da essi. Quindi se si considera un elettrone, ovvero una carica negativa posta tra i due nuclei, esso sarà sottoposto a forze attrattive da parte dei due nuclei che saranno controbilanciate da quelle repulsive fino a quando non si sarà raggiunta la stabilità del sistema; quindi l'elettrone sarà caduto in una buca di potenziale dalla quale gli sarà difficile uscire. In tal modo si è formato un legame chimico.

I legami forti sono generalmente classificati in tre classi, in ordine di polarità crescente:

Il legame covalente (in generale) è il legame che si instaura tra due atomi non metalli (uguali o aventi differenza di elettronegatività - scala di Pauling - compresa tra 0 e 0,3) che mettono in compartecipazione una coppia di elettroni (detti coppia di legame) in un orbitale esterno che abbraccia entrambi gli atomi. [Il legame covalente viene rappresentato da un trattino che congiunge i due atomi legati.] Un legame covalente puro ( o omeopolare) è un legame covalente che s'instaura fra due atomi appartenenti allo stesso elemento. Essendo la nube elettronica distribuita simmetricamente, il legame risulta non polarizzato.
I legami covalenti che si formano fra due atomi che condividono due coppie di elettroni prendono il nome di doppio legame. I legami covalenti che si formano fra due atomi che condividono tre coppie di elettroni prendono il nome di triplo legame. Per constatare il numero di legami covalenti formatisi fra due atomi bisogna conoscere la valenza dell'atomo degli elementi considerati e dopo aver fatto questo scoprire quanti elettroni gli mancano per essere stabili (regola dell'ottetto ).

Il legame covalente polare si instaura tra due atomi con differenza di elettronegatività compresa tra 0,4 e 1,9. In questo caso, gli elettroni coinvolti nel legame risulteranno maggiormente attratti dall'atomo più elettronegativo, il legame risulterà quindi polarizzato elettricamente, cioè ognuno degli atomi coinvolti nel legame presenterà una carica elettrica parziale. Quando una molecola è tenuta coesa da soli legami covalenti puri o possiede una simmetria tale da annullare reciprocamente le polarità dei suoi legami covalenti risulterà complessivamente apolare. Invece una molecola costituita da due atomi legati fra loro da un legame covalente polare è polare( o dipolo elettrico); ciò non significa, in genere, però che la molecola abbia una carica elettrica perché nella sua totalità essa è elettricamente neutra. Si può prevedere facilmente la struttura polare di una molecola nel caso essa sia biatomica.

Il legame ionico è un legame tra ioni di segno opposto. Tali ioni si formano da atomi aventi differenza di elettronegatività superiore al limite convenzionale di 1,9: in queste condizioni, l'atomo più elettronegativo priva l'altro di un elettrone, il primo atomo diventa uno ione con carica negativa, il secondo uno ione con carica positiva.
Questo legame è di natura prettamente elettrostatica; l'arrangiamento degli atomi nello spazio non ha la direzionalità del legame covalente: il campo elettrico generato da ciascuno ione si diffonde simmetricamente nello spazio attorno ad esso.

Legami chimici deboli

I dipoli molecolari possono originare delle forze di attrazione intermolecolari.
I legami intermolecolari sono essenzialmente costituiti dalla reciproca attrazione tra dipoli statici - è il caso delle molecole polari - o tra dipoli ed ioni - è il caso, ad esempio, di un sale che si scioglie in acqua.
Nel caso dei gas nobili o di composti formati da molecole apolari la possibilità di liquefare viene spiegata tramite la formazione casuale di un dipolo temporaneo quando gli elettroni, nel loro orbitare, si trovino casualmente concentrati su un lato della molecola; tale dipolo induce nelle molecole vicine a sé uno squilibrio di carica elettrica (il cosiddetto dipolo indotto) che genera reciproca attrazione e provoca la condensazione del gas. Il legame viene quindi prodotto da queste particolari forze di attrazione dette forze di dispersione o di Van der Waals.
Un caso particolare di legame intermolecolare, che può anche essere intramolecolare quando la geometria della molecola lo consente, è il legame idrogeno.Un atomo di idrogeno legato ad un atomo di ossigeno (o di fluoro), a causa della sua polarizzazione positiva e delle sue ridotte dimensioni, attrae con un'intensità relativamente elevata gli atomi di ossigeno (e di fluoro e, in misura minore, di azoto) vicini.Tale legame, benché debole, è responsabile della conformazione spaziale delle proteine e degli acidi nucleici, conformazione da cui dipende l'attività biologica dei composti stessi.