Questa è la domanda che potrebbero farsi gli elettroni di un atomo quando un elemento è nella sua forma pura! Perché? Vediamo di spiegarlo in modo semplice, anche a quelli che la chimica a scuola l’hanno odiata…
Gli elementi chimici sono quelli elencati nella tavola periodica, ideata nel 1869 dal chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev, ordinati in righe e colonne in ordine di numero atomico.
Sono gli elementi fondamentali di cui è fatta tutta la materia che conosciamo, che si combinano fra di loro per dare dei composti aventi caratteristiche completamente diverse dagli elementi di partenza.
Gli elementi esistono sotto forma di atomi. Un atomo è composto da un nucleo che contiene particelle dette neutroni, privi di carica elettrica, protoni, particelle con una carica positiva (il + delle pile) e da elettroni, aventi una carica negativa (il – delle pile). Quando un elemento è nella sua forma pura ha quindi carica elettrica nulla, in quanto il numero degli elettroni e dei protoni è uguale. Questo numero è detto numero atomico, mentre il peso atomico è dato dalla somma dei neutroni e dei protoni (gli elettroni hanno un peso trascurabile).
L’atomo più semplice è quello di idrogeno che è l’unico che non ha neutroni ma ha solo un protone e un elettrone; quindi, il suo peso atomico è 1, così come il suo numero atomico, mentre il successivo, l’elemento con numero atomico numero 2, Elio, ha sia due neutroni che due protoni e due elettroni, quindi, il suo peso atomico è 4. L’elemento numero 3, il Litio, ha tre neutroni, tre protoni e tre elettroni; quindi, il suo peso atomico è 6, e così via.
Gli elettroni, in un modello molto semplificato ma comprensibile, si trovano intorno al nucleo in nuvole concentriche dette orbitali. Gli elementi con numeri atomici elevati hanno più orbitali, sempre più grandi e più lontani dal nucleo, che costituendo il “guscio” esterno dell’atomo ne stabiliscono le caratteristiche chimiche.
In chimica ogni cosa è regolata dall’energia, e gli atomi sono più instabili, quindi, più reattivi quando gli orbitali non sono riempiti completamente. Il primo livello degli orbitali è detto orbitale 1S e può ospitare al massimo due elettroni, mentre i livelli successivi, sono composti da un orbitale S, e da tre orbitali detti P, che possono ospitare due elettroni ciascuno, perciò in tutto 6. Quindi a partire dal livello 2 gli orbitali saranno completi se ospiteranno 8 elettroni. Si dice che l’ottetto è completo, e questo conferisce stabilità all’elemento.
Se costruiamo gli elementi a partire dall’elio aggiungendo ogni volta un protone, un neutrone e un elettrone vedremo che il numero di elettroni nel “guscio” più esterno aumenta progressivamente da 1 a 8 e per poi ricominciare. Su questa sequenza sono basate le righe della tavola periodica (che per questo si chiama così) costituite da 8 caselle, che ripetendosi vanno a formare delle colonne. Gli elementi che si trovano nella stessa colonna della tavola periodica hanno lo stesso numero di elettroni nel livello più esterno, e caratteristiche chimiche simili.
Gli elementi che hanno 8 elettroni nel livello più esterno sono stabili e non reattivi, e per questo sono detti gas nobili, e i loro nomi ci sono familiari, in quanto vengono utilizzati così come presenti in natura: Elio, Neon, Argon, Kripton, Xenon, Radon.
Gli elementi che invece hanno da 5 a 7 elettroni nel guscio esterno per soddisfare la loro reattività tenderanno a procurarsi gli elettroni mancanti “strappandoli” agli elementi che ne hanno da 1 a 4, che invece li cederanno volentieri perché il “guscio” sottostante è già completo. In questo modo gli elettroni nel livello più esterno saranno proprio 8!
Gli elementi che si sono scambiati gli elettroni restano molto vicini, formando i composti chimici. I composti hanno caratteristiche chimiche e fisiche completamente nuove rispetto agli elementi di partenza. Facciamo un esempio utilizzando una sostanza nota a tutti, il sale da cucina.
Il sale da cucina, o cloruro di sodio, è composto dal Sodio e dal Cloro.
Il Sodio è l’elemento n. 11, ha 11 neutroni, 11 protoni e 11 elettroni. 2 elettroni sono sul livello orbitale 1, 8 sul livello 2, e 1 nel livello 3. Il Sodio si trova quindi nella prima colonna della tavola periodica, perché ha solo un elettrone nell’ultimo livello. Il sodio è una sostanza dalla consistenza burrosa e dall’aspetto metallico, molto instabile e reattivo.
Il Cloro, che invece è un gas, dall’odore caratteristico che ben conosce chi frequenta le piscine, è l’elemento n. 17, ha 17 neutroni, 17 protoni e 17 elettroni. 2 elettroni sono sul livello orbitale 1, 8 sul livello 2 e 7 sul livello 3. Gli manca solo un elettrone per averne 8 e completare l’ottetto!
Il Cloro attrae l’unico elettrone presente sul livello orbitale 3 del Sodio, assumendo una carica elettrica negativa, perché ora ha 17 protoni e 18 elettroni. Il Sodio dal canto suo assumerà una carica positiva perché ha 11 protoni ma solo 10 elettroni. Ma sappiamo che le cariche opposte si attraggono, quindi Cloro e Sodio resteranno legati fra loro, formando il Cloruro di Sodio, il prezioso composto che dà sapore ai nostri cibi, dall’aspetto bianco cristallino.
La costruzione della tavola periodica ha permesso prevedere l’esistenza di elementi prima che questi fossero scoperti. Oggi la tavola periodica contiene 118 elementi, alcuni dei quali ottenuti artificialmente e molto instabili, ma il numero di quelli possibili non è conosciuto, anche se alcune recenti ipotesi lo portano potenzialmente a 172!
*Biochimico, direttrice del dipartimento di medicina epidemiologia e igiene del lavoro ed ambientale dell’INAIL
