Atomi, isotopi, ioni e legami ionici

Gli atomi sono costituiti da tre tipi fondamentali di particelle subatomiche: protoni, con carica positiva unitaria; neutroni, elettricamente neutri, con massa leggermente maggiore rispetto a quella dei protoni; elettroni, con carica negativa unitaria e massa piccolissima (circa 1/1840 di quella del protone).

In condizioni normali, gli atomi sono elettricamente neutri, perché il numero dei protoni è esattamente bilanciato da quello degli elettroni.

Neutroni e protoni sono riuniti in un nucleo centrale; gli elettroni si muovono intorno al nucleo in regioni dello spazio dette orbitali, raggruppati in strati (o livelli energetici) a diverse distanze dal nucleo.

Gli atomi di ogni elemento sono caratterizzati da due numeri:

• il numero atomico (A), pari al numero di protoni presenti nel nucleo (dal quale dipendono le particolari caratteristiche fisiche e di reattività chimica dell'elemento);
• il numero di massa (Z), pari alla somma del numero di neutroni e protoni presenti nel nucleo.

Per convenzione, il numero atomico è indicato dal deponente e il numero di massa dall'esponente, scritti alla sinistra del simbolo chimico.

Per gli atomi di uno stesso elemento, resta fisso il numero dei protoni, ma può variare quello dei neutroni: sono detti isotopi gli atomi di uno stesso elemento aventi lo stesso numero atomico, ma diverso numero di massa, poiché diverso è il numero dei neutroni presenti nel nucleo. Nella tavola periodica, gli isotopi (dal greco ísos, uguale, e topos, luogo) occupano la stessa posizione. Molti sono gli elementi che possiedono due o più isotopi.

L'idrogeno, per esempio, ha tre isotopi: protio, deuterio e tritio; nel loro nucleo è presente un protone e, rispettivamente, nessuno, uno o due neutroni. Il carbonio ha sei isotopi: ¹⁰C, ¹¹C, ¹²C, ¹³C, ¹⁴C e ¹⁵C, con sei protoni e, rispettivamente, quattro, cinque, sei, sette, otto e nove neutroni.

Gli isotopi vengono distinti in stabili e instabili: in questi ultimi il nucleo, instabile, tende a raggiungere la stabilità emettendo radiazioni e l'isotopo si trasforma in un altro isotopo dello stesso elemento o in un isotopo di un elemento differente, dando luogo al fenomeno della radioattività naturale (per questo motivo gli isotopi instabili sono detti isotopi radioattivi, o radioisotopi).

In particolari condizioni, gli atomi possono perdere o acquistare elettroni, trasformandosi in ioni. Se un atomo perde elettroni, le cariche positive risultano in eccesso rispetto a quelle positive e diviene uno ione positivo (catione); se invece acquista elettroni, le cariche negative prevalgono ed esso viene detto ione negativo (anione).

Gli elettroni dello strato o livello più esterno degli atomi di un elemento (detti elettroni di valenza) ne determinano il comportamento chimico, in quanto sono quelli che entrano in gioco quando gli atomi di quell'elemento si uniscono tra loro o con atomi differenti, per mezzo di legami chimici. Prendono il nome di legami chimici le unioni tra atomi in cui intervengono forze attrattive fra nuclei ed elettroni di valenza.

I due tipi fondamentali di legame chimico sono il legame covalente e il legame ionico. Il legame covalente si forma tra atomi di uno stesso elemento, o di elementi differenti, che mettono in comune uno o più coppie di elettroni di valenza.

Il legame ionico si forma tra gli atomi di due elementi differenti tra i quali è avvenuto uno scambio di elettroni: un atomo cede uno o più elettroni e diventa uno ione positivo, l'altro acquista elettroni e diventa uno ione negativo. Il legame ionico è un'attrazione di natura elettrostatica che si stabilisce tra due ioni di carica opposta.