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NUMERO ATOMICO E NUMERO DI MASSA

Gli atomi vengono identificati attraverso due numeri:

IL NUMERO ATOMICO (Z) che indica il numero di protoni;
IL NUMERO DI MASSA (A) che indica la somma di protoni e neutroni.

La differenza tra NUMERO DI MASSA e NUMERO ATOMICO (A-Z) dà come risultato il numero di neutroni.

In Figura 1, in una rappresentazione schematica di un elemento chimico, il NUMERO ATOMICO (Z) è riportato in basso a sinistra, mentre il NUMERO DI MASSA (A) è riportato in alto a sinistra.

Figura 1 – Rappresentazione schematica del NUMERO ATOMICO (Z) e NUMERO DI MASSA (A)

Il numero atomico identifica in maniera unica un elemento chimico. Come mostrato in Figura 2, la tavola periodica è rappresentata da tante caselle consecutive, ciascuna contenente un elemento chimico raffigurato con una singola lettera (H, B, C, N, O, F, ecc.) o due lettere (Ca, Mg, Na, Li, Be, Hg, ecc.). La prima lettera è sempre riportata con la lettera maiuscola.

Figura 2 – Rappresentazione del numero atomico (Z) nella tavola periodica

Il numero atomico è sempre associato a UNO E UNO SOLO elemento chimico della tavola periodica. Costituisce l’impronta digitale dell’elemento.

All’Idrogeno è associato sempre e solo il Numero Atomico 1, all’Elio 2, al Litio 3, al Berillio 4, al Boro 5 e così via.

CONCETTI CHIAVE:

Il NUMERO DI MASSA (protoni + neutroni) è sempre riportato in alto a sinistra;
Il NUMERO ATOMICO (protoni) è sempre riportato in basso a sinistra;
Per ottenere il numero di neutroni è sufficiente calcolare la differenza tra NUMERO DI MASSA e NUMERO ATOMICO.
A un elemento chimico è sempre associato un solo NUMERO ATOMICO.

ESERCIZIO SVOLTO:

Determinare il numero di protoni, neutroni ed elettroni del seguente atomo:

Il numero atomico rappresenta il numero di protoni ed è riportato in basso a sinistra. p⁺= 6
Il numero di elettroni è uguale al numero di protoni. e^–= 6
(Numero di massa – Numero atomico)= Numero di neutroni. n = 12-6 = 6

LO STATO D’OSSIDAZIONE

Lo stato d’ossidazione o numero d’ossidazione rappresenta la carica formale che acquisisce un elemento quando gli elettroni di legame vengono ceduti all’elemento più elettronegativo.

Nel caso della molecola di acqua, l’Ossigeno forma due legami con altrettanti atomi d’Idrogeno. Ciascun legame è costituito da due elettroni, uno messo in co-partecipazione dall’Idrogeno e l’altro dall’Ossigeno.

Come illustrato in Figura 1, si assuma che l’elettrone di legame dell’idrogeno venga ceduto all’atomo di Ossigeno. L’idrogeno, cedendo il proprio elettrone, acquisisce una carica formale +1, mentre l’Ossigeno, acquistando due elettroni dai due Idrogeni, assume una carica formale di – 2.

Figura 1 – Molecola d’acqua con trasferimento degli elettroni di legame dagli Idrogeni all’Ossigeno

Gli stati d’ossidazione degli elementi della Tavola Periodica.

Alcuni elementi della Tavola Periodica possono assumere solo uno stato d’ossidazione, mentre altri elementi più stati d’ossidazione.

Gli elementi del Gruppo IA (metalli alcalini) assumono stato d’ossidazione +1.
Gli elementi del Gruppo IIA (metalli alcalino terrosi) assumono stato d’ossidazione +2.
Gli elementi del Gruppo IIIA hanno come stato d’ossidazione più comune (sebbene non l’unico) +3.
L’Idrogeno ha stato d’ossidazione +1 ad eccezione di quando forma legami con i metalli in cui ha stato d’ossidazione -1.
L’Ossigeno ha come stato d’ossidazione più comune -2. Può tuttavia in rari casi avere stato d’ossidazione di -1; +1; +2.
Gli atomi delle molecole omonucleari (formate dagli stessi atomi) hanno stato d’ossidazione uguale a zero. Esempi sono H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, S₈.
I metalli nelle forme elementari hanno stato d’ossidazione zero. Esempio sono Na, Fe, K, Mn, Co, Ni, Cu, ecc.
Gli ioni monoatomici hanno stato di ossidazione uguale alla carica dello ione. Esempi sono il Fe³⁺che ha stato di ossidazione +3 o il Cu²⁺ che ha stato d’ossidazione +2.

Non occorre tuttavia imparare a memoria gli stati d’ossidazione di tutti gli elementi in quanto nella Tavola Periodica sono riportati i numeri d’ossidazione associati a ogni elemento (Figura 2).

Figura 2 – Numeri d’ossidazione rappresentati nella Tavola Periodica

Calcolo dello stato d’ossidazione per composti neutri

La carica complessiva di un composto elettricamente neutro è pari a zero. Questo significa che nel composto, la carica negativa degli elementi aventi numero d’ossidazione negativo viene annullata dalla carica positiva degli elementi aventi numero d’ossidazione positivo.

HNO₃ è un composto che nel suo complesso è neutro.

L’Idrogeno ha numero d’ossidazione pari a +1.
L’Ossigeno ha numero d’ossidazione pari a -2. Tuttavia essendoci tre atomi di Ossigeno il numero d’ossidazione complessivo degli Ossigeni è -6.
Affinché la molecola risulti neutra, il numero di ossidazione dell’atomo di Azoto deve essere uguale a +5.

Carica complessiva: +1 + 5 + 3 x (-2) = 0

Calcolo dello stato d’ossidazione per gli ioni poliatomici.

Nel caso di ioni poliatomici occorre tenere in considerazione il fatto che il composto non è elettricamente neutro ma assume una carica che può essere positiva o negativa.

SO₄^2- è un anione che nel suo complesso ha carica -2.

L’Ossigeno ha numero d’ossidazione pari a -2. Tuttavia essendoci quattro atomi di Ossigeno, il numero d’ossidazione complessivo degli Ossigeni è -8.
Per avere nel complesso una carica di -2 è necessario che lo Zolfo (S) abbia una carica di +6.

Carica complessiva: +6 + 4 x (-2) = -2

CONCETTI CHIAVE:

All’interno di un composto vi sono elementi che hanno numero d’ossidazione positivo e altri numero d’ossidazione negativo;
L’elemento più elettronegativo del composto ha numero d’ossidazione negativo;
La somma degli stati d’ossidazione di tutti gli elementi devono dare come risultato la carica complessiva del composto.

Esercizio svolto:

Determinare lo stato d’ossidazione di tutti gli elementi che compongono lo ione poliatomico NH₄⁺:

La carica complessiva del composto è +1;
Sono presenti 4 atomi di idrogeno ciascuno avente numero d’ossidazione +1. Pertanto, nel complesso il numero d’ossidazione dei quattro Idrogeni è uguale a +4;
Affinché il complesso abbia carica complessiva +1, l’Azoto deve avere numero d’ossidazione -3;
Carica complessiva: 1 x (-3) + 4 x (+1) = +1

Approfondimenti:

Esercizio al seguente link sul calcolo del numero di ossidazione.

Articoli in primo piano

LA STRUTTURA ATOMICA

L’atomo è costituito da particelle subatomiche chiamate PROTONI, NEUTRONI ed ELETTRONI.

I protoni sono particelle subatomiche cariche positivamente;
I neutroni sono particelle subatomiche senza carica elettrica;
Gli elettroni sono particelle subatomiche cariche negativamente.

Come mostrato nella Figura 1 sottostante, un atomo è composto da un nucleo interno con protoni e neutroni, chiamati per questo anche nucleoni, con gli elettroni collocati esternamente.

Figura 1 – Rappresentazione della struttura atomica

Tutta la carica positiva è concentrata al centro dell’atomo mentre le cariche negative sono distribuite esternamente. Il ruolo dei neutroni (neutri elettricamente) è quello di aumentare la distanza tra i protoni ed evitare che le forze di repulsione protone-protone destabilizzino la struttura dell’atomo.

La massa delle particelle subatomiche risulta essere estremamente piccola:

Massa del protone: 1,673×10⁻²⁷ kg
Massa del neutrone: 1,675×10⁻²⁷ kg
Massa dell’elettrone: 9,109×10⁻³¹ kg

I valori elencati indicano la trascuratezza della massa dell’elettrone confrontata a quella del protone e del neutrone. Da un calcolo più dettagliato risulta che la massa dell’elettrone è circa 2000 inferiore rispetto a quella delle altre due particelle subatomiche.

Anche la carica di una particella subatomica assume valori di ridotta entità:

Carica del protone: + 1,602×10⁻¹⁹ C
Carica del neutrone: 0 C
Carica dell’elettrone: – 1,602×10⁻¹⁹ C

La carica di un singolo protone è uguale a quella di un elettrone sebbene con valore opposto. Nella suo insieme, l’atomo è elettricamente NEUTRO. La carica positiva dei protoni nel nucleo viene neutralizzata dalla carica negativa degli elettroni fuori dal nucleo.

Se teniamo in considerazione che la carica di un protone uguaglia quella di un elettrone, si può facilmente dedurre che:

IN UN ATOMO IL NUMERO DI PROTONI UGUAGLIA ESATTAMENTE IL NUMERO DI ELETTRONI