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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

ESERCIZI SUGLI IONI

1) Indicare la tipologia (catione o anione) e rappresentare il simbolo chimico dello ione ottenuto rimuovendo due elettroni all’elemento neutro Magnesio.

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2) Indicare la tipologia (catione o anione) e rappresentare il simbolo chimico dello ione ottenuto addizionando un elettrone all’elemento neutro Fluoro.

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3) Sapendo che l’elemento neutro Calcio ha 20 protoni e numero di massa uguale a 40, rappresentare il simbolo chimico e indicare il numero di protoni, neutroni ed elettroni dello ione ottenuto rimuovendo due elettroni.

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4) Sapendo che l’elemento neutro Ossigeno ha 8 protoni e numero di massa pari a 16, rappresentare il simbolo chimico e indicare il numero di protoni, neutroni ed elettroni dello ione ottenuto addizionando due elettroni.

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5) Prova a spiegare perché lo ione H⁺ viene anche chiamato dai chimici protone.

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6) Sapendo che l’elemento neutro Selenio ha 34 protoni e numero di massa pari a 80, indicare il numero di protoni, neutroni ed elettroni dello ione Se^2-

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7) Sapendo che l’elemento neutro Scandio ha Z=21 e A=45, indicare il numero di protoni, neutroni ed elettroni dello ione Sc³⁺

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8) Aiutandoti con una Tavola Periodica individua quale elemento nella forma neutra ha lo stesso numero di elettroni dello ione ottenuto addizionando 3 elettroni all’elemento neutro Azoto.

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9) Aiutandoti con una Tavola Periodica individua quale elemento nella forma neutra ha lo stesso numero di elettroni dello ione ottenuto rimuovendo 1 elettroni all’elemento neutro Elio.

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10) Aiutandoti con una Tavola Periodica individua quale elemento nella forma neutra ha lo stesso numero di elettroni dello ione ottenuto addizionando n.2 elettroni all’elemento neutro Silicio (Si).

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11) Quale dei seguenti ioni ha lo stesso numero di elettroni dello ione Zn²⁺

a) Cu²⁺

b) Ge⁴⁺

c) Ga²⁺

d) Br⁵⁺

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12) Quale dei seguenti ioni ha lo stesso numero di protoni dello ione Cl⁷⁺

a) Si³⁺

b) Cl^–

c) S^2-

d) P⁵⁺

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ISOTOPI

Due elementi chimici, con lo stesso numero atomico (Z), ma un differente numero di massa (A), prendono il nome di ISOTOPI.

Vediamo un esempio:

$\mathbf{_{6}^{12}\textrm{C}}$ → Chiamato anche Carbonio-12, è costituito da 6 protoni, 6 neutroni, 6 elettroni;

$\mathbf{_{6}^{13}\textrm{C}}$ → Chiamato anche Carbonio-13, è costituito da 6 protoni, 7 neutroni, 6 elettroni;

$\mathbf{_{6}^{14}\textrm{C}}$ → Chiamato anche Carbonio-14, è costituito da 6 protoni, 8 neutroni, 6 elettroni.

Le tre specie nucleari hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni, ma differiscono per il numero di neutroni.

Due elementi chimici, con lo stesso numero atomico (Z), ma un differente numero di massa (A), prendono il nome di ISOTOPI. Gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni ma differiscono per il numero di neutroni.

Ciascun elemento della Tavola Periodica è presente sotto forma di diversi isotopi. Il Carbonio è presente come miscela di Carbonio-12, Carbonio-13 e Carbonio-14.

L’isotopo-12 è si trova in una percentuale pari al 98,89%, l’isotopo-13 in percentuale pari all’1,11% mentre l’isotopo-14 è presente solo in piccolissime tracce.

Se fossimo bravi a isolare 1000 atomi di carbonio scopriremmo che 988 sono Carbonio-12, 11 sono Carbonio-13 e, se fossimo molto fortunati, troveremmo un solo Carbonio-14.

I tre isotopi dell’Idrogeno prendono il nome di Prozio (¹H), Deuterio (²H), Trizio (³H). Il Prozio rappresenta l’isotopo più abbondante (99,985%), il Deuterio è presente allo 0,015% e si trova nella cosiddetta acqua pesante. Il Trizio è presente in natura in quantità trascurabili.

Figura 1 – Miscela di isotopi che costituiscono gli elementi chimici carbonio e idrogeno

CONCETTI CHIAVE:

Due elementi chimici con lo stesso numero atomico ma diversi numeri di massa si definiscono ISOTOPI.
Due isotopi differiscono per il numero di neutroni.
Un elemento della tavola periodica è costituito da diversi isotopi che hanno differente abbondanza in natura.

ESERCIZIO SVOLTO:

Dati i seguenti numeri atomici e numeri di massa Z=8 e A=16, quale elemento tra quelli sottoelencati può considerarsi isotopo?

a) Un elemento neutro con 10 elettroni e 10 neutroni;

b) Un elemento neutro con 10 neutroni e 9 protoni;

c) Un elemento neutro con 10 neutroni e 8 elettroni;

d) Un elemento con 8 elettroni e 9 protoni;

Prendiamo in considerazione ciascuna delle opzioni:

a) L’elemento è elettricamente neutro. Questo implica che il numero di elettroni coincida con il numero di protoni. Pertanto, l’elemento è costituito da 10 protoni, 10 neutroni e 10 elettroni. Z=10, pertanto non è questo l’isotopo ricercato.

b) Il numero di protoni è uguale a 9. Z=9 pertanto, non è questo l’isotopo ricercato.

c) L’elemento è elettricamente neutro. Questo implica che il numero di elettroni coincida con il numero di protoni. Pertanto, l’elemento è costituito da 8 protoni, 10 neutroni e 8 elettroni. Z=8 pertanto questo è l’isotopo ricercato.

d) L’elemento chimico ha un numero di elettroni inferiore di un’unità rispetto al numero di protoni. Pertanto, si tratterà di un catione con una singola carica positiva. Il numero di protoni è tuttavia differente rispetto all’elemento in esame. Dalle informazioni presenti nel punto d non è possibile ricavare il numero di neutroni.

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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