Struttura e proprietà degli atomi e delle molecole

La struttura atomica e le particelle subatomiche

L'atomo è l'unità base della materia, costituito da un nucleo centrale di protoni, con carica positiva, e neutroni, privi di carica, circondato da elettroni, particelle con carica negativa, che orbitano in regioni definite come orbitali. Il nucleo, nonostante il suo diametro ridotto rispetto all'intero atomo, detiene la maggior parte della massa atomica. La massa di un protone è circa 1 dalton, e quella del neutrone è leggermente maggiore, mentre l'elettrone ha una massa circa 1/1836 di quella del protone. Il numero di massa (A) di un atomo è la somma dei protoni e neutroni nel nucleo, e il numero atomico (Z) indica il numero di protoni, che in un atomo neutro è uguale al numero di elettroni.

Massa molecolare e concetto di mole

La massa molecolare è la somma dei pesi atomici degli atomi in una molecola, espressa in unità di massa atomica (uma) o dalton. La massa molare, invece, è la massa di una mole di sostanza, che corrisponde al numero di Avogadro di particelle, ovvero 6,022 × 10^23 particelle. Questo numero è stato determinato come il numero di atomi presenti in 12 grammi di carbonio-12. La massa molare è espressa in grammi per mole (g/mol) e fornisce un collegamento tra la massa atomica a livello microscopico e la massa misurabile di una sostanza a livello macroscopico.

Formazione e tipologie di ioni

Gli ioni sono atomi o gruppi di atomi che hanno acquisito una carica elettrica netta a seguito della perdita o guadagno di uno o più elettroni. Un atomo che perde elettroni diventa un catione, con carica positiva, mentre un atomo che guadagna elettroni diventa un anione, con carica negativa. Questi processi avvengono durante le reazioni chimiche e sono guidati dalla tendenza degli atomi a raggiungere una configurazione elettronica stabile, spesso quella di un gas nobile.

Il legame chimico e la formazione delle molecole

I legami chimici sono le forze che tengono uniti gli atomi nelle molecole. Possono essere classificati in covalenti, ionici, metallici e dativi. Un legame covalente si forma quando due atomi condividono una o più coppie di elettroni. Un legame ionico si verifica tra atomi con una grande differenza di elettronegatività, dove un atomo cede elettroni e l'altro li accetta. Il legame metallico si caratterizza per la presenza di un "mare" di elettroni liberi che circondano gli ioni metallici positivi. Il legame dativo, o coordinativo, si forma quando un atomo fornisce una coppia di elettroni a un altro atomo che non contribuisce con elettroni al legame.

Legami chimici intramolecolari e intermolecolari

I legami intramolecolari sono quelli che si formano all'interno di una molecola, come i legami covalenti e ionici, e sono responsabili della struttura e delle proprietà chimiche delle molecole. I legami intermolecolari, come i legami a idrogeno, i legami dipolo-dipolo e le forze di Van der Waals, sono più deboli dei legami intramolecolari e si stabiliscono tra molecole vicine. Questi legami sono fondamentali per determinare le proprietà fisiche delle sostanze, come il punto di ebollizione e il punto di fusione.

Importanza dei legami a idrogeno e altri legami intermolecolari

I legami a idrogeno sono forze intermolecolari particolarmente forti che si formano quando un atomo di idrogeno legato covalentemente a un elemento fortemente elettronegativo, come l'ossigeno o l'azoto, interagisce con un atomo elettronegativo di un'altra molecola. Questi legami sono cruciali per le proprietà uniche dell'acqua, come l'elevato calore specifico e la capacità di solvatazione. Altri legami intermolecolari, come i legami ione-dipolo, contribuiscono alla solubilità dei composti ionici in solventi polari, mentre le forze di Van der Waals sono significative nelle interazioni tra molecole non polari.