Numero atomico e di massa: come studiare la struttura dell'atomo
Numero atomico e numero di massa sono due metodi per quantificare quante particelle subatomiche sono presenti nel nucleo di ogni atomo. Il primo riferito ai protoni, il secondo alla somma dei protoni e dei neutroni. Permettono di identificare con sicurezza gli elementi chimici o i diversi isotopi di uno stesso elemento.
Questi due concetti sono molto utili anche nella lettura della tavola periodica.
Numero atomico, definizione
La definizione di numero atomico lo indica come il numero di protoni contenuti nell’atomo dell’elemento considerato. I protoni sono particelle subatomiche cariche positivamente e per gli atomi allo stato neutro sono pari al numero degli elettroni. In precedenza era considerato invece la posizione che il simbolo dell’elemento occupava nella tavola periodica di Mendeleev.
Il simbolo con cui si indica il numero atomico è la lettera Z. Si tratta sempre di un numero naturale che va riportato in basso a sinistra del simbolo dell’elemento. Per esempio nel caso dell’ossigeno, che contiene 8 protoni nel suo nucleo, si scriverà 8O. Nella tavola periodica è sempre indicato sotto il simbolo chimico, e aumenta andando da sinistra verso destra. In altre parole, andando lungo i periodi (le righe orizzontali).
Negli isotopi il numero atomico rimane costante, mentre a variare è il numero di massa.
Il numero di massa
Si tratta della somma del numero dei protoni e dei neutroni che compongono il nucleo di un atomo. Il suo concetto è strettamente legato a quello di peso atomico, poiché quando si calcola vengono considerate solo le particelle del nucleo. Per indicarlo si usa la lettera A e si scrive in alto a sinistra del simbolo dell’elemento. Ad esempio per l’ossigeno la forma più diffusa si indica con 16O.
Il numero di massa quindi se espresso sotto forma di unità di massa atomica (u.m.a.) è uguale al peso atomico. La massa delle due particelle è pressoché uguale, 1,672×10−27 kg per i protoni e 1,674×10−27 kg per i neutroni. Quella degli elettroni invece ammonta a 9,109×10−31 kg, 10.000 volte inferiore e dunque anche trascurabile. L’equivalenza è utile anche per il calcolo delle moli nelle reazioni chimiche.
Dal numero atomico si può ricavare il numero di massa una volta noto il numero di neutroni. La formula è A = Z + n (neutroni). Partendo dal nome degli isotopi si può ottenere il numero dei neutroni una volta noti A e Z. Il nome dell’isotopo indica proprio il numero di massa: il carbonio-12 ha A pari a 12, il carbonio-13 ha A = 13 e così via.
In sintesi, se due atomi hanno Z uguale sono dello stesso elemento. Se hanno anche A uguale fanno parte dello stesso isotopo. Se Z è uguale e A diverso, sono parte di isotopi diversi dello stesso elemento.
Massa dell’atomo
Il nucleo rappresenta pressoché l’intera massa dell’atomo, poiché il resto dello spazio è composto dagli orbitali degli elettroni. Come accennato, le particelle negative risultano di massa insignificante rispetto a quelle positive o neutre. La corrispondenza fra peso atomico e numero di massa (oltre che numero atomico) però vale essenzialmente per gli atomi allo stato neutro.
Il motivo è che se per convenzione gli elettroni non contano nel calcolo, occorre che la standardizzazione sia uguale per tutti gli atomi. Allo stato neutro elettroni e protoni sono presenti nello stesso numero. Le forme ioniche invece prevedono che venga perso acquisito un elettrone, quindi seppure lievissima ci sarà una differenza.
Proprietà degli atomi in rapporto con il numero atomico
Il raggio atomico può variare, ma la sua massa resterà sempre riferita al nucleo compatto al centro. Maggiore sarà il numero atomico, minore sarà il raggio poiché più protoni equivalgono ad una maggiore attrazione verso il nucleo degli elettroni. Viceversa, minore sarà Z e maggiore sarà il raggio. In questo non interviene il numero di massa, poiché i neutroni non hanno carica.
Più è alto Z, maggiore sarà anche l’elettronegatività dell’atomo, ossia la sua tendenza ad acquisire elettroni di valenza. Questo perché la forte carica positiva attirerà maggiormente le particelle negative. Un numero atomico inferiore invece corrisponderà a una minore elettronegatività. Come prima, A non è rilevante.
Più protoni nel nucleo significa che anche il potenziale di ionizzazione aumenta di pari passo con l’aumento di Z. Si tratta dell’energia necessaria a togliere un elettrone dall’orbitale più esterno di un atomo. Un numero atomico più alto indica che serve maggiore dispendio di energia. Uno più basso indica minore attrazione fra elettroni e nucleo, più debole da spezzare.
Qualche esercizio
1. Considerando il gas nobile xenon (Xe), qual è la differenza che intercorre fra gli isotopi 126Xe e 134Xe?
Per rispondere occorre richiamare la teoria. Gli isotopi son forme diverse dello stesso elemento e hanno sempre lo stesso Z. L’unica cosa che varia è A, il numero di massa. Dunque la differenza sta nel numero dei neutroni presenti a livello dei loro nuclei. Facendo la sottrazione fra gli A dei due isotopi si trova lo “scarto” in termini di particelle. 134-126 = 8 neutroni.
2. Qual è il numero di neutroni presente nell’isotopo 208Pb?
Pb è il simbolo chimico del piombo. Dato che 208 è A, indica la somma fra numero atomico e neutroni, bisogna per prima cosa trovare Z. Per farlo basta scorrere la tavola periodica fino a trovare Pb (gruppo numero 14 e periodo numero 6). In basso sotto il simbolo è indicato Z, in questo caso pari a 82.
3. Quanti sono gli elettroni in un atomo allo stato neutro con Z = 9?
Come da definizione, se l’atomo non presenta carica il numero dei protoni è pari a quello degli elettroni. Z simboleggia i protoni, dunque l’atomo ha sei elettroni.
