Struttura atomica della materia

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lezione
Struttura atomica della materia
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: Fondamenti di elettrotecnica
Un atomo di litio con 3 protoni, 4 neutroni e 3 elettroni

L'atomo[modifica]

Gli atomi sono le particelle che compongono la materia.

Gli atomi sono costituiti a loro volta da tre tipi di particelle più piccole: i protoni, i neutroni e gli elettroni.

L'atomo consiste in un nucleo fatto di protoni e neutroni, circondato da un involucro di elettroni.

La carica delle particelle[modifica]

I protoni e gli elettroni possiedono una proprietà elettrica chiamata carica. La carica è una grandezza fisica che può avere segno più o meno: le cariche dello stesso segno si respingono, mentre le cariche di segno diverso si attraggono.

Un protone ed un elettrone hanno carica uguale, ma di segno opposto: per convenzione la carica dei protoni è positiva mentre quella degli elettroni è negativa.

I neutroni hanno carica neutra, cioè pari a zero.

atomo
nucleo involucro
protoni

+

carica positiva

neutroni

0

carica neutra

elettroni

-

carica negativa

In un atomo neutro il numero di elettroni è uguale al numero di protoni.

Gli atomi con numero di elettroni diverso dal numero di protoni sono detti ioni.

L'involucro di elettroni[modifica]

Gruppi di più elettroni circondano il nucleo in spazi detti orbitali. Gli orbitali atomici vengono spesso paragonati alle orbite dei corpi celesti o a gusci concentrici: in realtà un orbitale è il luogo fisico intorno al nucleo nel quale è più probabile che si trovi un certo elettrone (modello atomico di Bohr).

Il numero massimo di elettroni nell'n-esimo orbitale è di 2n² (2, 8, 18, …).

Gli elettroni dell'orbitale più esterno sono detti elettroni di valenza Elettrone di valenza.svg.

Esempio 1: un atomo di alluminio
Atomo di alluminio.svg
Esempio 2: un atomo di rame
Atomo di rame.svg

Le proprietà chimiche ed elettriche di un atomo sono determinate dalla struttura dell'involucro di elettroni.

La maggior parte dei materiali è costituita da più atomi legati insieme a formare composti (H2O, NaCl, …).

I legami fra gli atomi sono causati dalle interazioni fra i loro elettroni più esterni.

Il tipo dei legami determina, tra l'altro, le proprietà elettriche di un materiale.

Alcuni tipi di legami fra atomi[modifica]

Il legame ionico[modifica]

Nel legame ionico gli atomi si combinano in modo da raggiungere una configurazione elettronica particolarmente vantaggiosa, secondo lo schema seguente (gas nobile):

  • 2 elettroni nell'orbitale più interno
  • 8 elttroni negli altri orbitali
Esempio: sale da cucina
Legame ionico fra sodio e cloro.svg
Il sodio (Na) cede un elettrone di valenza al cloro (Cl) perché la configurazione raggiunta in questo modo è più vantaggiosa. Lo ione positivo di sodio (Na+) e lo ione negativo di cloro (Cl-) rimangono legati da forze elettriche.

Il legame ionico lega gli atomi in modo molto forte. Questo comporta:

Il legame metallico[modifica]

Nel legame metallico gli atomi rilasciano elettroni di valenza diventando così ioni positivi.

Gli ioni di metallo si dispongono ordinatamente a formare un reticolo cristallino.

Esempio 1: struttura esagonale compatta
HCP crystal structure.svg
Esempio 2: struttura cubica a facce centrate
FCC crystal structure.svg
Esempio 3: struttura cubica a corpo centrato
BCC crystal structure.svg
Nuvola di elettroni.svg

All'interno del reticolo cristallino metallico gli elettroni si muovono quasi liberamente in modo caotico (si parla perciò di gas di elettroni o nuovola di elettroni).

Il libero movimento degli elettroni spiega la buona conduttività dei metalli.

L'azione neutralizzante degli elettroni negativi mantiene uniti gli ioni di metallo positivi Ione positivo.svg.

Carica elettrica
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