Biologia 01 – Modello atomico a orbitali
1 Biologia 01 – Modello atomico a orbitali
La chimica è la scienza che studia la composizione della materia, il suo comportamento e le sue trasformazioni. Si suddivide in:
Chimica inorganica, che si occupa dello studio dei composti inorganici (composti non formati da atomi di carbonio).
Chimica organica, che studia i composti del carbonio.
Comprende al suo interno la chimica biologica (o biochimica) studia le biomolecole (carboidrati, amminoacidi, proteine, lipidi, acidi nucleici).
Atomo
Struttura
L’atomo è l’unità fondamentale della materia.
Il suo nome deriva dal termine greco “atòmos” e vuol dire indivisibile1.
Le sue dimensioni sono nell’ordine dei picometri (10-12 metri). Un atomo è composto da un nucleo e da uno o più elettroni attorno ad esso.
Il nucleo è posto al centro della struttura ed è molto ridotto se confrontato con la nube elettronica che lo avvolge (circa 100'000 volte più piccolo). È formato da due tipi di particelle: protoni e neutroni.
I protoni sono particelle cariche positivamente (carica elementare = +1). Il loro numero si chiama numero atomico.
Ogni elemento della tavola periodica ha un suo numero atomico, che lo distingue da tutti gli altri (es.: per H è 1, per He è 2, e così via…).
I neutroni sono particelle la cui carica netta è 0. La loro massa supera di poco quella dei protoni. Di solito in un nucleo ce ne sono tanti quanti i
protoni. Se invece ci sono più protoni che neutroni, il nucleo sarà più instabile e in questi casi si parla di isotopo di un elemento. La somma del numero di protoni e neutroni si chiama numero di massa.
Uno stesso elemento quindi può avere più
isotopi, se il suo numero atomico rimane sempre quello, ma varia il suo numero di massa
Gli elettroni sono particelle minuscole (la loro massa è 2.000 volte inferiore a quella dei protoni) con carica negativa (carica elementare = -1). Sono molto importanti in quanto essi determinano il comportamento chimico (capacità di reagire con altri composti, di formare ioni,…) di un elemento.
In passato venivano descritti come piccole sfere che ruotano attorno al nucleo su orbite precise.
Oggi, invece, si sa che gli elettroni non si comportano solo come particelle, ma anche in parte come onde2. Per via di questa doppia natura, essi non percorrono traiettorie precise, ma occupano alcune regioni dello spazio attorno al nucleo che vengono chiamate orbitali. L’elettrone non si trova mai in un punto preciso dell’orbitale, ma è come se fosse “disciolto” al suo interno.
1 In realtà è possibile dividere i componenti del nucleo dell’atomo in particelle ancora più piccole dette quark. Tuttavia ques te si riaggregano in tempi brevissimi, riformando la particella originaria. Si considera l’atomo come unità fondamentale della materia proprio perché i quark non riescono ad esistere autonomamente, ma devono per forza aggregarsi.
2 Le onde sono fenomeni ripetitivi che trasportano energia senza trasportare la materia. Basti pensare alle onde marine che non spostano le particelle d’acqua, ma semplicemente le fanno oscillare in sequenza ordinata. Oltre alle onde meccaniche come il suono e le scosse sismiche, esistono anche onde elettromagnetiche come la luce.
Biologia 01 – Modello atomico a orbitali
2
Modello atomico ad orbitaliIl modello degli orbitali prevede che attorno al nucleo ci siano diverse zone di spazio, entro cui è possibile trovare gli elettroni. Queste regioni di spazio sono appunto gli orbitali. Ogni orbitale contiene al massimo 2 elettroni
Una prima suddivisione dello spazio presente nell’atomo è data dai livelli energetici. Un livello energetico è una zona che comprende più gruppi di orbitali. Questi livelli sono numerati in ordine crescente a partire da quello più interno. Il numero associato ad ognuno di essi si chiama numero quantico principale (N) (ad esempio N = 1 è il livello più vicino al nucleo). Man mano che si procede verso l’esterno i livelli acquistano sempre una maggiore energia, il che significa che gli elettroni all’interno dei livelli più lontani dal
nucleo sono più energetici e possono fuggire dalla forza attrattiva del nucleo con più facilità.
Ogni livello energetico contiene un numero diverso e preciso di elettroni, secondo la formula 2 x N2 (quindi, per N = 1 2 x 1 2 elettroni)
All’interno di ogni livello energetico ci sono vari gruppi di orbitali. Gli orbitali che fanno parte di uno stesso gruppo hanno tutti la stessa forma, ma orientamento spaziale diverso. Un gruppo di orbitali è identificato dal numero quantico secondario (L), che permette di descrivere la forma dell’orbitale.
A seconda dei valori di questo numero si identificano quindi 4 forme di orbitali chiamate: “S”
(orbitali sferici L = 0), “P” (orbitali bilobati L = 1), “D” (orbitali quadrilobati L = 2), “F”
(orbitali a otto lobi L = 3).
Tuttavia va notato che non tutti i livelli energetici contengono tutte e quattro le forme di orbitali: L, infatti, varia con N, e assume i valori interi compresi tra 0 e N - 1.
Quindi, dato che N = 1, L = 0, il primo livello contiene solo orbitali S; dato che N = 2, L = 0 e L = 1, il secondo livello contiene sia S e P, e così via…
Va da sé che per N = 5 e superiori, quel livello energetico avrà tutti i tipi di orbitali.
All’interno di ogni gruppo di orbitali, sono presenti singoli orbitali tutti della stessa forma, ma orientati in modo diverso nello spazio: i diversi orientamenti vengono espressi con l’uso del numero quantico magnetico (M).
M può assumere, per ogni gruppo di orbitali, tutti i valori compresi tra – L e + L, compreso lo zero.
Per orbitali sferici (L = 0) esiste solo M = 0.
Questo significa che un elemento con N = 2, avrà L = 0 (un orbitale sferico, 2 elettroni) e L = 1 e quindi M = -1, 0, +1 (3 orbitali P, della stessa forma, con 2 elettroni ciascuno 6 elettroni totali).
In ogni orbitale sono presenti 2 elettroni. Questi elettroni, oltre a ruotare attorno al nucleo, ruotano anche attorno a loro stessi (un po’ come la Terra ruota attorno al suo asse e attorno al Sole contemporaneamente). Il verso della loro rotazione è espresso dal numero quantico di spin (Ms), che assume solo due valori: -1/2 (rotazione da destra a sinistra, simbolo “↓”) e +1/2 (rotazione da sinistra a destra, simbolo “↑”).3
Secondo il principio di esclusione di Pauli, non possono esistere due elettroni con le stesse
“coordinate quantiche” (N, L, M). Due elettroni, per stare nello stesso orbitale devono quindi avere un numero di spin opposto.
3 Il concetto di spin è molto complesso. Empiricamente si manifesta come la deviazione dal loro percorso che subiscono gli elettroni se immersi in un campo magnetico. Ogni carica elettrica muovendosi genera un campo magnetico, lo spin può essere immaginato come il diverso orientamento che la calamita-elettrone può avere.
Biologia 01 – Modello atomico a orbitali
3
Riempimento degli orbitaliIn definitiva il numero massimo di elettroni che possono trovarsi in un gruppo di orbitali S è 2, in un gruppo P è 6, in un gruppo D è 10, in un gruppo F è 14. Un singolo orbitale si può scrivere in modo sintetico indicando prima il livello energetico di cui fa parte, poi il gruppo (quindi la sua forma) e, in apice, il numero di elettroni che contiene. Ogni atomo ha un numero di elettroni diverso, quindi riempie un numero diverso di orbitali. L’insieme di orbitali riempiti in un atomo si chiama configurazione elettronica. Essa si ricava in questo modo:
Si identifica il numero di elettroni di un atomo (è indicato sulla tavola periodica).
Si dispongono i diversi elettroni in un diagramma che rappresenta gli orbitali (riportato a lato) fino a quando non li si è posizionati tutti.
L’ordine di riempimento degli orbitali non segue i livelli energetici:
non necessariamente ad esempio l’intero livello 3 dovrà essere riempito per iniziare a riempire il 4. Il corretto ordine di riempimento è riportato nella figura a lato.
I singoli elettroni si indicano con una freccia verso l’alto o verso il basso che rappresenta lo spin. Quindi se in un singolo orbitale ci saranno due frecce, queste avranno per forza verso opposto.
