Chimica inorganica di base: impariamola divertendoci!

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La Chimica è qualcosa di proprio orribile, brutto, noioso… scherzo! Nonostante l’opinione generale, la chimica è una scienza proprio affascinante. Di solito non piace perché non ci si trova davanti un professore che te la faccia amare, esattamente come la fisica e la matematica.

La chimica a volte spaventa, ci sono molti termini: elementi, molecole, composti, isotopi, cationi, anioni, elettroni, protoni… fanno quasi paura se messi tutti accanto. Ma non temere! Proverò a spiegarti com’è fatta la materia che ci compone, cercando di essere il più chiaro possibile, sperando di non risultare pesante come i goffi professori che potresti aver incontrato nella tua carriera scolastica. Dopotutto gli atomi sono così simili a noi! Alcuni sono avidi, altri sono generosi, altri solitari, altri di compagnia, alcuni sono cacciatori di dote: caspita sono proprio come noi! Non ci credi?

Tutta la materia che ci circonda è costituita da atomi, che sono i “Lego” del Creatore. Sicuramente è stato molto più fortunato di me, visto che ne ha avuti più di un centinaio e tutti diversi, più grandi e più piccoli. Si deve essere proprio divertito a costruire questo nostro pianeta e tutto l’universo!

Com’è fatto un atomo? Il modello più carino che si utilizza di solito è quello planetario di Rutherford (anche se in realtà la situazione è un po’ più complessa), ovvero l’atomo è costituito da un nucleo e alcune particelle che gli ruotano attorno, un po’ come fanno i pianeti col Sole.

Il nucleo è costituito da due particelle: i protoni (che hanno una carica positiva, quelli rossi nell’immagine) e i neutroni (che invece non hanno nessuna carica elettrica, neri nell’immagine). Attorno al nucleo orbitano delle particelle di carica negativa: gli elettroni!

Anche gli atomi hanno un nome e ogni chimico che si rispetti ha il suo album con le figurine degli elementi, comprensiva anche delle loro generalità: la Tavola Periodica degli Elementi!

 

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Cosa sono questi elementi? La chimica non contempla il quintetto acqua-terra-aria-etere-fuoco, ma ha i suoi elementi, ognuno dei quali ha un nome.

Non potendo scrivere il nome intero di ogni elemento, nella tavola essi sono indicati con un simbolo. Per esempio H sta per “idrogeno”, C per “carbonio”, ecc. Il numero sopra il simbolo è il numero atomico che è il numero di protoni che si trovano nel nucleo. Perciò un atomo di idrogeno (H) ha un protone, l’elio (He) ha due protoni, il litio (Li) ha tre protoni, e così via. Siccome un atomo è neutro, ha lo stesso numero di protoni ed elettroni.

Ciò che distingue un elemento da un altro è perciò il numero di protoni nel nucleo. Così poco? Ebbene sì, un protone in più o in meno all’interno del nucleo determina un comportamento molto diverso. Per esempio: l’elio, che ha due protoni nel nucleo, è un gas molto leggero, famoso perché se respirato fa parlare per alcuni secondi come i personaggi dei cartoni animati, mentre il litio che ha solo un protone in più nel nucleo è un metallo che messo a contatto con l’acqua esplode. Che simpatica la chimica!

Gli atomi hanno un’altra cosa in comune con le persone: la maggior parte di essi non si sente completo e sente il bisogno di legarsi ad altri oppure di cambiare qualcosa di se stessi. Affascinante, vero? Prima però devo illustrare qualche concetto che mi servirà per spiegarmi meglio. Ho scritto prima che un atomo è neutro, ovvero ha lo stesso numero di cariche positive nel nucleo (protoni) e cariche negative attorno ad esso (elettroni). Un atomo però può prendere o cedere elettroni, perdendo così la sua neutralità. Un atomo non neutro viene chiamato ione. Più precisamente, se è caricato positivamente è detto anche catione, se caricato negativamente è detto anione.

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Mi è utile anche illustrare come sono disposte queste particelle nell’atomo, per spiegare meglio come si formano i legami tra gli atomi. Gli elettroni si dispongono attorno al nucleo seguendo uno schema ben preciso, una specie di anfiteatro. Prima occupano il primo livello, dove possono stare al massimo due elettroni, poi a seguire nel secondo e nel terzo dove in ognuno di essi possono stare otto elettroni (oltre le cose si complicano un po’ di più). In figura è rappresentato un atomo di Neon (simbolo chimico Ne), il cerchietto interno col simbolo chimico rappresenta il nucleo con all’interno protoni e neutroni. I cerchi grigi invece sono i suoi elettroni.

Affinché un atomo sia stabile deve avere i suoi livelli o pieni o vuoti, in chimica si parla della regola dell’ottetto, ovvero tutti i posti di un livello devono essere occupati. Si trovano in una situazione di stabilità soltanto gli atomi dell’ottavo gruppo (l’ultima colonna della tavola periodica), tutti gli altri atomi invece devono raggiungere l’equilibrio e questo è il motivo per cui interagiscono con altri atomi.

Ti racconto un po’ di gossip chimico per farti riprendere un po’ da queste agghiaccianti rivelazioni e spiegarti come interagiscono tra loro gli atomi.

Gli atomi che vedi nell’ultimo gruppo (i gruppi sono le colonne della tavola periodica, mentre i periodi sono le righe) sono detti gas nobili, in ordine: elio, neon, argon, krypton, xenon. Loro sono single per scelta (o almeno così dicono) e stanno talmente bene da soli che non si legano con nessuno. Loro hanno tutti i livelli completi, perciò sono felici così. Tutti gli altri si dannano per raggiungere l’ottetto, alcuni in modo piuttosto violento. Hanno due scelte: o cedono gli elettroni che hanno (come fanno gli atomi che stanno in basso a sinistra della tavola periodica) oppure li acquistano da altri (come fanno quelli che stanno in alto a destra).

Gli elementi del primo gruppo (idrogeno escluso) sono detti Metalli Alcalini e si trovano sul primo gruppo perché hanno tutti quanti un solo elettrone nell’ultimo livello. Questi, ovviamente, fanno prima a cedere quell’elettrone per svuotare il livello piuttosto che acquistare sette elettroni per riempirlo. Ed è esattamente quello che fanno, in maniera anche molto violenta. In acqua esplodono (ci sono molti video su youtube molto divertenti, in particolare quelli in cui lanciano il cesio in acqua). Espellendo un elettrone (che ha carica negativa) diventano stabili come ione positivo. Gli atomi del secondo gruppo (detti anche Metalli Alcalino-Terrosi) che invece hanno due elettroni sull’ultimo livello devono espellerne due per diventare stabili come ioni con due cariche positive. Questi elementi sono molto generosi e regalano i loro elettroni agli altri atomi. Quelli che invece hanno sei o sette elettroni sono dei veri ladri e rubano gli elettroni che gli servono per raggiungere l’ottetto ed essere stabili, diventando così degli ioni negativi. Non a caso sono negativi! Non maritatevi con loro.

I metalli in generale hanno pochi elettroni nell’ultimo livello e tendono a cederli, mentre i non metalli ne hanno di più e prendono quelli che gli servono.

Per fortuna, non tutte le coppie si formano per convenienza, ma ci sono più tipi di legame. Li illustrerò con leggerezza, senza entrare troppo in dettaglio, solo per mostrarti che anche in questo caso gli atomi si comportano come noi.

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Il legame ionico è quello che ho appena descritto: un atomo prende gli elettroni all’altro e diventa ione negativo, mentre l’altro li cede e diventa ione positivo. Praticamente sono separati in casa. L’esempio classico è il cloruro di sodio (NaCl), il comune sale da cucina. Il sodio (Na) cede il suo elettrone di troppo all’avido cloro (Cl) che ha 7 elettroni, formando un reticolo di ioni Na+ – Cl. Questi insieme durano poco, infatti spesso basta poco affinché il legame si spezzi.

Nel legame covalente, invece, gli atomi condividono gli elettroni, senza che nessuno li rubi all’altro. Li mettono in comune. Loro sono bravi, fate come loro!

 

O almeno è quel che succede nel caso del legame covalente puro. Ci sono alcune coppie in cui gli elettroni sono sì in comune ma più vicini ad uno dei due, quello più “avido” (in “chimichese” si dice più elettronegativo), ed è il caso del legame covalente polare. In ogni caso, queste coppie sono più durature.

Nel legame dativo, invece, abbiamo un atomo cacciatore di dote particolarmente convincente che è sprovvisto di elettroni e convince un atomo ben abbiente a condividere con lui quello che ha. Perciò gli elettroni che saranno condivisi provengono da uno solo dei due.

Quando due o più atomi si legano si forma una molecola che può essere completamente diversa dagli atomi di partenza. Come si parla di atomi dell’elemento idrogeno (H), si parla di molecole di un composto.

In generale, gli atomi degli ultimi gruppi  si trovano in natura legati fra di loro con un legame covalente, singoli non possono proprio vivere. Perciò troveremo l’azoto come N2 (ovvero due atomi di azoto legati insieme), l’ossigeno come O2, ecc.

Gli atomi dei primi gruppi (i metalli) invece hanno trovato un tipo di convivenza davvero particolare e utile (per noi). Essi infatti espellono gli elettroni di troppo, diventando ioni positivi, e ci nuotano dentro. Gli elettroni si ritrovano quindi a non essere più vincolati agli atomi e quindi sono liberi di muoversi e questa mobilità li rende degli ottimi conduttori di elettricità e di calore (l’elettricità è un flusso di elettroni). Viceversa i non metalli che se li tengono stretti per sé sono degli isolanti, perché non permettono il passaggio dell’elettricità.

I legami non sono solo binari, ma si formano anche agglomerati di più atomi, come l’acqua H2O o il metano CH4. Solo a pochi atomi piace la solitudine.

Come vedi, sono molto simili a noi.

 

Davide D.

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9 Commenti

  1. Articolo molto ilare nei confronti della chimica, scritto benissimo e certamente utilissimo per far comprendere ad un adolescente la complessità di questo mondo, grazie, sarà un’ottimo approccio al mondo invisibile con mia figlia, gia rido…. 😊😉

  2. Olè finalmente un articolo chiaro sulle basi della chimica, grazie mi sarà davvero molto utile!

  3. Bello, alle superiori ho fatto il chimico biologico quindi le sapevo già le cose, ma il modo in cui sono scritte è fantastico. Mi piacerebbe leggere anche il seguito 😛 😀

  4. Che bell’articolo! Concetti apparentemente così complicati spiegati in modo chiaro, semplice e divertente. Veramente originale, sarebbe stato bello avere te come professore al liceo 😉

  5. Mi piace molto come hai impostato il discorso, decisamente più coinvolgente e chiaro confronto a quando me lo hanno presentato alle superiori.

  6. bravissimo , grazie

  7. Davide mentre leggevo stavo morendo dalle risate, non è facile spiegare in così poche frasi una buona parte di chimica di base e soprattutto in modo divertente e comprensibile per tutti. Mi è piaciuto molto come hai descritto il tutto ed hai paragonato la materia alle persone, è proprio così, è bene che tutti capiscono quanto la chimica sia bella e possa essere anche divertente. D’altronde tutto è chimica!
    Grande!

  8. Un sunto divertente di un affascinante mondo di stupore 😊

  9. Eccellente !!!
    Mi piacerebbe leggere il seguito.

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