Biologia 01 Modello atomico a orbitali 1

Biologia 01 Modello atomico a orbitali

La chimica la scienza che studia la composizione della materia, il suo comportamento e le sue trasformazioni. Si suddivide in:

Chimica inorganica, che si occupa dello studio dei composti inorganici (composti non formati da atomi di carbonio).

Chimica organica, che studia i composti del carbonio. Comprende al suo interno la chimica biologica (o biochimica) studia le biomolecole (carboidrati, amminoacidi, proteine, lipidi, acidi nucleici).

Atomo

Struttura Latomo lunit fondamentale della materia. Il suo nome deriva dal termine greco atmos e vuol dire indivisibile1. Le sue dimensioni sono nellordine dei picometri (10-12 metri). Un atomo composto da un nucleo e da uno o pi elettroni attorno ad esso. Il nucleo posto al centro della struttura ed molto ridotto se confrontato con la nube elettronica che lo avvolge (circa 100'000 volte pi piccolo). formato da due tipi di particelle: protoni e neutroni.

I protoni sono particelle cariche positivamente (carica elementare = +1). Il loro numero si chiama numero atomico. Ogni elemento della tavola periodica ha un suo numero atomico, che lo distingue da tutti gli altri (es.: per H 1, per He 2, e cos via).

I neutroni sono particelle la cui carica netta 0. La loro massa supera di poco quella dei protoni. Di solito in un nucleo ce ne sono tanti quanti i protoni. Se invece ci sono pi protoni che neutroni, il nucleo sar pi instabile e in questi casi si parla di isotopo di un elemento. La somma del numero di protoni e neutroni si chiama numero di massa. Uno stesso elemento quindi pu avere pi isotopi, se il suo numero atomico rimane sempre quello, ma varia il suo numero di massa

Gli elettroni sono particelle minuscole (la loro massa 2.000 volte inferiore a quella dei protoni) con carica negativa (carica elementare = -1). Sono molto importanti in quanto essi determinano il comportamento chimico (capacit di reagire con altri composti, di formare ioni,) di un elemento. In passato venivano descritti come piccole sfere che ruotano attorno al nucleo su orbite precise. Oggi, invece, si sa che gli elettroni non si comportano solo come particelle, ma anche in parte come onde2. Per via di questa doppia natura, essi non percorrono traiettorie precise, ma occupano alcune regioni dello spazio attorno al nucleo che vengono chiamate orbitali. Lelettrone non si trova mai in un punto preciso dellorbitale, ma come se fosse disciolto al suo interno.

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In realt possibile dividere i componenti del nucleo dellatomo in particelle ancora pi piccole dette quark. Tuttavia ques te si riaggregano in tempi brevissimi, riformando la particella originaria. Si considera latomo come unit fondamentale della materia proprio perch i quark non riescono ad esistere autonomamente, ma devono per forza aggregarsi. 2

Le onde sono fenomeni ripetitivi che trasportano energia senza trasportare la materia. Basti pensare alle onde marine che non spostano le particelle dacqua, ma semplicemente le fanno oscillare in sequenza ordinata. Oltre alle onde meccaniche come il suono e le scosse sismiche, esistono anche onde elettromagnetiche come la luce.

Biologia 01 Modello atomico a orbitali 2

Modello atomico ad orbitali Il modello degli orbitali prevede che attorno al nucleo ci siano diverse zone di spazio, entro cui possibile trovare gli elettroni. Queste regioni di spazio sono appunto gli orbitali. Ogni orbitale contiene al massimo 2 elettroni

Una prima suddivisione dello spazio presente nellatomo data dai livelli energetici. Un livello energetico una zona che comprende pi gruppi di orbitali. Questi livelli sono numerati in ordine crescente a partire da quello pi interno. Il numero associato ad ognuno di essi si chiama numero quantico principale (N) (ad esempio N = 1 il livello pi vicino al nucleo). Man mano che si procede verso lesterno i livelli acquistano sempre una maggiore energia, il che significa che gli elettroni allinterno dei livelli pi lontani dal nucleo sono pi energetici e possono fuggire dalla forza attrattiva del nucleo con pi facilit. Ogni livello energetico contiene un numero diverso e preciso di elettroni, secondo la formula 2 x N2 (quindi, per N = 1 2 x 1 2 elettroni)

Allinterno di ogni livello energetico ci sono vari gruppi di orbitali. Gli orbitali che fanno parte di uno stesso gruppo hanno tutti la stessa forma, ma orientamento spaziale diverso. Un gruppo di orbitali identificato dal numero quantico secondario (L), che permette di descrivere la forma dellorbitale. A seconda dei valori di questo numero si identificano quindi 4 forme di orbitali chiamate: S (orbitali sferici L = 0), P (orbitali bilobati L = 1), D (orbitali quadrilobati L = 2), F (orbitali a otto lobi L = 3). Tuttavia va notato che non tutti i livelli energetici contengono tutte e quattro le forme di orbitali: L, infatti, varia con N, e assume i valori interi compresi tra 0 e N - 1. Quindi, dato che N = 1, L = 0, il primo livello contiene solo orbitali S; dato che N = 2, L = 0 e L = 1, il secondo livello contiene sia S e P, e cos via Va da s che per N = 5 e superiori, quel livello energetico avr tutti i tipi di orbitali.

Allinterno di ogni gruppo di orbitali, sono presenti singoli orbitali tutti della stessa forma, ma orientati in modo diverso nello spazio: i diversi orientamenti vengono espressi con luso del numero quantico magnetico (M). M pu assumere, per ogni gruppo di orbitali, tutti i valori compresi tra L e + L, compreso lo zero. Per orbitali sferici (L = 0) esiste solo M = 0. Questo significa che un elemento con N = 2, avr L = 0 (un orbitale sferico, 2 elettroni) e L = 1 e quindi M = -1, 0, +1 (3 orbitali P, della stessa forma, con 2 elettroni ciascuno 6 elettroni totali).

In ogni orbitale sono presenti 2 elettroni. Questi elettroni, oltre a ruotare attorno al nucleo, ruotano anche attorno a loro stessi (un po come la Terra ruota attorno al suo asse e attorno al Sole contemporaneamente). Il verso della loro rotazione espresso dal numero quantico di spin (Ms), che assume solo due valori: -1/2 (rotazione da destra a sinistra, simbolo ) e +1/2 (rotazione da sinistra a destra, simbolo ).3 Secondo il principio di esclusione di Pauli, non possono esistere due elettroni con le stesse coordinate quantiche (N, L, M). Due elettroni, per stare nello stesso orbitale devono quindi avere un numero di spin opposto.

3 Il concetto di spin molto complesso. Empiricamente si manifesta come la deviazione dal loro percorso che subiscono gli

elettroni se immersi in un campo magnetico. Ogni carica elettrica muovendosi genera un campo magnetico, lo spin pu essere immaginato come il diverso orientamento che la calamita-elettrone pu avere.

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Riempimento degli orbitali In definitiva il numero massimo di elettroni che possono trovarsi in un gruppo di orbitali S 2, in un gruppo P 6, in un gruppo D 10, in un gruppo F 14. Un singolo orbitale si pu scrivere in modo sintetico indicando prima il livello energetico di cui fa parte, poi il gruppo (quindi la sua forma) e, in apice, il numero di elettroni che contiene. Ogni atomo ha un numero di elettroni diverso, quindi riempie un numero diverso di orbitali. Linsieme di orbitali riempiti in un atomo si chiama configurazione elettronica. Essa si ricava in questo modo:

Si identifica il numero di elettroni di un atomo ( indicato sulla tavola periodica).

Si dispongono i diversi elettroni in un diagramma che rappresenta gli orbitali (riportato a lato) fino a quando non li si posizionati tutti.

Lordine di riempimento degli orbitali non segue i livelli energetici: non necessariamente ad esempio lintero livello 3 dovr essere riempito per iniziare a riempire il 4. Il corretto ordine di riempimento riportato nella figura a lato.

I singoli elettroni si indicano con una freccia verso lalto o verso il basso che rappresenta lo spin. Quindi se in un singolo orbitale ci saranno due frecce, queste avranno per forza verso opposto.