In questa lezione esploreremo il ruolo e le caratteristiche degli elettroni nel contesto di un atomo. Gli elettroni sono particelle fondamentali che svolgono un ruolo cruciale nel determinare le proprietà chimiche degli elementi. Approfondendo il loro comportamento, distribuzione e interazione con altri componenti atomici, otteniamo informazioni sui fondamenti della chimica e della fisica.
Gli elettroni sono particelle subatomiche con carica negativa, indicate con \(e^-\) . Sono uno dei tre componenti principali di un atomo, insieme ai protoni e ai neutroni. A differenza dei protoni e dei neutroni che risiedono nel nucleo dell'atomo, gli elettroni orbitano attorno al nucleo in regioni chiamate gusci elettronici o livelli energetici. La massa di un elettrone è significativamente più piccola di quella di protoni e neutroni, circa \(\frac{1}{1836}\) la massa di un protone. Questa piccola massa consente agli elettroni di occupare l'enorme volume dello spazio di un atomo nonostante il loro contributo trascurabile alla massa dell'atomo.
Gli elettroni sono disposti nei livelli energetici o gusci dell'atomo seguendo il principio di esclusione di Pauli, il principio di Aufbau e la regola di Hund. La configurazione più stabile si ottiene quando gli elettroni riempiono prima i livelli energetici più bassi prima di spostarsi a quelli più alti. Questa disposizione determina le proprietà chimiche di un atomo, inclusa la sua reattività e la sua capacità di formare legami con altri atomi.
Ad esempio, l'atomo di idrogeno, che ha un elettrone, ha questo elettrone nel suo primo livello. L'ossigeno, con otto elettroni, ha due elettroni nel suo primo livello e sei nel secondo livello.
Gli elettroni svolgono un ruolo fondamentale nella formazione dei legami chimici, interazioni che tengono insieme gli atomi nelle molecole o nei composti. Esistono principalmente tre tipi di legami chimici: ionici, covalenti e metallici, che coinvolgono tutti gli elettroni. In un legame ionico, gli elettroni vengono trasferiti da un atomo all’altro, dando origine a ioni positivi e negativi che si attraggono a vicenda. I legami covalenti implicano la condivisione di coppie di elettroni tra gli atomi, mentre i legami metallici sono formati dal raggruppamento di elettroni liberi di muoversi attraverso la struttura metallica.
Il concetto di elettroni in orbita attorno al nucleo in percorsi o orbite definiti fu proposto per la prima volta da Niels Bohr. Tuttavia, la moderna meccanica quantistica fornisce una descrizione più accurata, introducendo il concetto di orbitali. Gli orbitali sono regioni dello spazio attorno al nucleo dove è probabile che si trovino gli elettroni. A differenza delle orbite definite del modello di Bohr, la meccanica quantistica descrive le posizioni degli elettroni in termini di probabilità. Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che è impossibile determinare contemporaneamente l’esatta posizione e velocità di un elettrone.
Questo comportamento quantistico degli elettroni è fondamentale per comprendere le complesse strutture degli atomi oltre il più semplice atomo di idrogeno. Gli elettroni negli atomi più grandi occupano una complessa serie di orbitali con forme e livelli energetici diversi. Questi includono gli orbitali s, p, d e f, ciascuno con una forma caratteristica e la capacità di trattenere gli elettroni.
Gli elettroni di valenza sono gli elettroni nel guscio più esterno di un atomo. Svolgono un ruolo significativo nel determinare le proprietà chimiche di un atomo e la sua capacità di interagire con altri atomi. Il numero di elettroni di valenza corrisponde al numero del gruppo di un elemento nella tavola periodica per i blocchi s e p. Ad esempio, gli elementi del gruppo 1 hanno un elettrone di valenza, mentre quelli del gruppo 18 hanno otto elettroni di valenza (eccetto l'elio, che ne ha due).
La configurazione degli elettroni di valenza spiega la periodicità osservata nella tavola periodica, dove gli elementi dello stesso gruppo mostrano comportamenti chimici simili. Questo perché hanno lo stesso numero di elettroni di valenza, portando a caratteristiche e reazioni di legame simili.
Gli elettroni possono assorbire energia e saltare a livelli energetici più alti o cadere a livelli energetici più bassi, emettendo energia sotto forma di fotoni. Questo processo è fondamentale per il fenomeno della spettroscopia, dove lo spettro della luce emessa può essere analizzato per determinare la composizione di una sostanza. L'energia del fotone emesso o assorbito durante questa transizione è data dall'equazione \(E = h\nu\) , dove \(E\) è l'energia del fotone, \(h\) è la costante di Planck e \(\nu\) è la frequenza del fotone.
Questo principio è illustrato nello spettro di emissione dell'idrogeno, che consiste di diverse linee corrispondenti alle transizioni degli elettroni tra i livelli energetici. Ogni transizione rilascia un fotone di una lunghezza d'onda specifica, risultando in uno spettro di linee unico per l'idrogeno.
L'esperimento del tubo a raggi catodici: questo è un classico esperimento che dimostra la presenza di elettroni. Quando una corrente elettrica attraversa un gas a bassa pressione in un tubo a raggi catodici, viene prodotto un raggio visibile all'occhio umano. Si è scoperto che questo raggio veniva deviato da campi magnetici ed elettrici, suggerendo la presenza di particelle caricate negativamente, successivamente identificate come elettroni.
L'esperimento della goccia d'olio: condotto da Robert A. Millikan e Harvey Fletcher, questo esperimento misurava la carica di un singolo elettrone. Piccole gocce d'olio erano sospese tra due piastre cariche e il loro movimento sotto l'influenza di un campo elettrico consentiva il calcolo della carica su ciascuna gocciolina. Questo esperimento determinò che la carica elementare era di circa \(1.60 \times 10^{-19}\) coulomb, stabilendo la quantizzazione della carica elettrica.
In questa lezione abbiamo esplorato gli aspetti fondamentali degli elettroni nel contesto degli atomi. Dalla loro distribuzione nei livelli energetici al loro ruolo nei legami chimici e nel comportamento quantistico, gli elettroni sono essenziali per comprendere la miriade di proprietà e reazioni degli elementi. Sapere come gli elettroni interagiscono all'interno degli atomi e con altri atomi getta le basi per i vasti campi della chimica e della fisica, spiegando tutto, dalla struttura delle molecole al comportamento dei materiali.
