Capitolo Gli atomi: il mondo quantico
Che cosa dobbiamo sapere?
- Modello nucleare
- Tavola periodica
- Cinetica
- Energia potenziale
I concetti chiave
- Struttura della materia
- teoria atomica
Perché conoscere queste cose
La meccanica quantistica riesce a spiegare le strutture e quindi le proprietà degli atomi.
Per pensare come uno scienziato, e in particolare come un chimico, dobbiamo usare il nostro intuito. Questo vuol dire che, quando osserviamo un oggetto della vita quotidiana o un campione di materiale chimico, dobbiamo riuscire a immaginare gli atomi che lo costituiscono. Inoltre, dobbiamo saper penetrare, con l’occhio della mente, nelle profondità della materia, fino a scoprire la struttura intima degli atomi. Per comprenderla e per capire come essa si correli con le proprietà chimiche degli atomi, occorre comprendere la struttura elettronica degli atomi stessi, ovvero la disposizione degli elettroni intorno al proprio nucleo.
Quando propose il modello nucleare dell’atomo nei primi anni del ventesimo secolo, Rutherford riteneva di potere applicare alla struttura elettronica i principi della meccanica classica, cioè le leggi del moto proposte da Newton nel diciassettesimo secolo. Dopo tutto, tali leggi si erano dimostrate notevolmente efficaci nel descrivere il moto di oggetti visibili, quali per esempio palloni o pianeti. Fu presto chiaro, invece, che la meccanica classica non è adatta allo scopo se applicata agli elettroni negli atomi. Pertanto, si rese necessario elaborare nuove leggi, che divennero note come meccanica quantistica.
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L’osservazione degli atomi
Dalton immaginava gli atomi come sfere prive di struttura, simili a minuscole biglie. Oggi sappiamo che gli atomi possiedono una loro struttura interna: sono costituiti da particelle più piccole, le particelle subatomiche. Noi ci limiteremo a studiare le tre principali particelle subatomiche: l’elettrone, il protone e il neutrone. Indagando la struttura interna degli atomi possiamo comprendere in che cosa un elemento differisce da un altro, correlandone le proprietà alla struttura. |
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La teoria quantistica
Verso la fine del diciannovesimo secolo, man mano che si acquisivano informazioni sulla radiazione elettromagnetica che non trovavano spiegazioni nell’ambito della meccanica classica, le perplessità degli scienziati andavano progressivamente aumentando; in tal modo, le righe dello spettro dell’idrogeno rimanevano un grande puzzle irrisolto. |
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L’atomo di idrogeno
Per costruire un modello quantomeccanico dell’atomo di idrogeno, è necessario combinare le proprietà ondulatorie degli elettroni, e la loro descrizione tramite una funzione d’onda con il modello nucleare dell’atomo, e spiegare la curiosa scala dei livelli energetici osservata per via spettroscopica. |
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La struttura degli atomi multielettronici
Gli atomi neutri diversi dall’idrogeno possiedono più di un elettrone e sono detti atomi multielettronici. Nei prossimi tre paragrafi ci baseremo su quanto appreso circa l’atomo di idrogeno, cercando di capire in quale modo la presenza di più elettroni influisca sull’energia degli orbitali atomici. Le strutture elettroniche che ne risulteranno sono la chiave della periodicità delle proprietà degli elementi e dell’attitudine degli atomi a instaurare legami chimici, e costituiscono quindi il fondamento di quasi tutti gli aspetti della chimica. |
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Il carattere periodico delle proprietà atomiche
La tavola periodica consente di prevedere un ampio campo di proprietà, molte delle quali decisive ai fini della comprensione della chimica. |
