Biologia per i maggiori I

Per capire come gli elementi si uniscono, dobbiamo prima discutere il più piccolo componente o blocco di costruzione di un elemento, l’atomo. Un atomo è la più piccola unità di materia che conserva tutte le proprietà chimiche di un elemento. Per esempio, un atomo d’oro ha tutte le proprietà dell’oro in quanto è un metallo solido a temperatura ambiente. Una moneta d’oro è semplicemente un numero molto grande di atomi d’oro modellati nella forma di una moneta e contenenti piccole quantità di altri elementi noti come impurità. Gli atomi d’oro non possono essere scomposti in qualcosa di più piccolo pur mantenendo le proprietà dell’oro.

Un atomo è composto da due regioni: il nucleo, che è al centro dell’atomo e contiene protoni e neutroni, e la regione più esterna dell’atomo che tiene i suoi elettroni in orbita intorno al nucleo, come illustrato nella figura 1. Gli atomi contengono protoni, elettroni e neutroni, tra le altre particelle subatomiche. L’unica eccezione è l’idrogeno (H), che è fatto di un protone e un elettrone senza neutroni.

Figura 1. Gli elementi, come l’elio, qui raffigurato, sono costituiti da atomi. Gli atomi sono costituiti da protoni e neutroni situati all’interno del nucleo, con gli elettroni negli orbitali che circondano il nucleo.

Protoni e neutroni hanno circa la stessa massa, circa 1,67 × 10-24 grammi. Gli scienziati definiscono arbitrariamente questa quantità di massa come un’unità di massa atomica (amu) o un Dalton, come mostrato nella tabella 1. Anche se simili nella massa, protoni e neutroni differiscono nella loro carica elettrica. Un protone ha una carica positiva, mentre un neutrone è privo di carica. Pertanto, il numero di neutroni in un atomo contribuisce significativamente alla sua massa, ma non alla sua carica. Gli elettroni sono molto più piccoli in massa dei protoni, pesando solo 9,11 × 10-28 grammi, o circa 1/1800 di un’unità di massa atomica. Quindi, non contribuiscono molto alla massa atomica complessiva di un elemento. Pertanto, quando si considera la massa atomica, è consuetudine ignorare la massa degli elettroni e calcolare la massa dell’atomo in base al solo numero di protoni e neutroni. Anche se non contribuiscono significativamente alla massa, gli elettroni contribuiscono notevolmente alla carica dell’atomo, poiché ogni elettrone ha una carica negativa uguale alla carica positiva di un protone. Negli atomi neutri senza carica, il numero di elettroni che orbitano attorno al nucleo è uguale al numero di protoni all’interno del nucleo. In questi atomi, le cariche positive e negative si annullano a vicenda, portando ad un atomo senza carica netta.

Considerando le dimensioni di protoni, neutroni ed elettroni, la maggior parte del volume di un atomo – più del 99% – è, infatti, spazio vuoto. Con tutto questo spazio vuoto, ci si potrebbe chiedere perché i cosiddetti oggetti solidi non passano semplicemente uno attraverso l’altro. Il motivo è che gli elettroni che circondano tutti gli atomi sono carichi negativamente e le cariche negative si respingono a vicenda.

Numero e massa atomica

Gli atomi di ogni elemento contengono un numero caratteristico di protoni ed elettroni. Il numero di protoni determina il numero atomico di un elemento ed è usato per distinguere un elemento da un altro. Il numero di neutroni è variabile, dando luogo agli isotopi, che sono forme diverse dello stesso atomo che variano solo nel numero di neutroni che possiedono. Insieme, il numero di protoni e il numero di neutroni determinano il numero di massa di un elemento, come illustrato nella figura 2. Si noti che il piccolo contributo di massa degli elettroni non è considerato nel calcolo del numero di massa. Questa approssimazione della massa può essere usata per calcolare facilmente quanti neutroni ha un elemento semplicemente sottraendo il numero di protoni dal numero di massa. Poiché gli isotopi di un elemento avranno numeri di massa leggermente diversi, gli scienziati determinano anche la massa atomica, che è la media calcolata del numero di massa per i suoi isotopi presenti in natura. Spesso, il numero risultante contiene una frazione. Per esempio, la massa atomica del cloro (Cl) è 35,45 perché il cloro è composto da diversi isotopi, alcuni (la maggioranza) con massa atomica 35 (17 protoni e 18 neutroni) e alcuni con massa atomica 37 (17 protoni e 20 neutroni).

Domanda pratica

Il carbonio ha un numero atomico di sei, e due isotopi stabili con numeri di massa di dodici e tredici, rispettivamente. La sua massa atomica è 12,11.

Figura 2. Carbonio-12 e carbonio-13

Quanti neutroni hanno rispettivamente il carbonio-12 e il carbonio-13?

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Il carbonio-12 ha sei neutroni. Il carbonio-13 ha sette neutroni.