Gli atomi come ben sappiamo sono formati da particelle cariche, protoni ed elettroni. Cosa succede se aggiungo o tolgo un elettrone a un atomo neutro? In questo articolo andremo a vedere in dettaglio cosa succede.
GLI ATOMI NEUTRI
Abbiamo già detto tante volte che gli Elementi sono la base sulla quale è costruito il nostro mondo, questi elementi vengono rappresentati nella Tavola Periodica. Gli elementi sulla Tavola hanno però la caratteristica di essere costituiti da atomi neutri. Cioè il numero di protoni ed elettroni appartenenti a un dato atomo sono uguali. Ricordiamo che la carica elettrica di un protone ha lo stesso valore della carica di un elettrone ma con il segno opposto.
Se prendo in mano la Tavola Periodica e guardo per esempio il Sodio (Na) posso immaginare che un singolo atomo di Sodio abbia 11 prototni e 11 elettroni, cioè ho un atomo neutro.
Stesso identico discorso vale per ogni altro elemento della Tavola Periodica.
Gli unici elementi che in Natura sono presenti come atomi neutri singoli sono i Gas Nobili data la loro propensione a non reagire con nessun altro elemento. Tutti gli altri elementi non sono presenti in natura come singoli atomi, la situazione reale è ovviamente molto più complessa.
Gli elementi si combinando tra di loro per formare composti e sostanze e questa combinazione molte volte porta i singoli atomi a non essere più elettricamente neutri, ecco perchè nasce questo articolo.
HO 2 MODI
Nella rappresentazione odierna di un atomo esso è composto da un nucleo dove sono presenti protoni e neutroni circondati da una nube di elettroni. Gli elettroni però non ci piace vederli come delle onde e quindi rappresentiamoli come se fossero delle particelle.
Di seguito è rappresentato un atomo di Sodio:
Notiamo che il numero di protoni, 11, è uguale a quello degli elettroni. Ci sono 2 modi per disturbare la neutralità elettrica di un atomo.
- Tengo fisso il numero di elettroni e modifico il numero di protoni.
- Tengo fisso il numero di protoni e modifico il numero di elettroni.
A prima vista potrebbero essere sensate entrambe le strade ma la Natura ne segue sempre e soltanto una, cioè la strada 2.
Il perchè è molto semplice, è più facile modificare il numero gli elettroni che si trovano alla periferia di un atomo piuttosto che entrare dentro il nucleo e modificare il numero di protoni. Modificando il numero di protoni si cambierebbe pure elemento e quindi cambierebbero del tutto le carte in tavola. Ricordiamo che quello che differisce per esempio un atomo di Sodio da uno di Calcio è proprio la differenza di protoni.
IONI
Siamo arrivati a capire che l’unico modo fattibile per rompere l’elettroneutralità di un atomo è quello di modificare il numero di elettroni.
Si parla di IONI quando il numero di elettroni di un dato atomo\molecola è diverso dal numero totale di protoni.
Uno ione può formarsi a partire da un atomo se quest’ultimo perde o acquista elettroni. Ci troviamo davanti a 2 situazione distinte.
Prendiamo sempre il Sodio come esempio, questo elemento in Natura non esiste come atomo neutro ma esiste come ione. In particolare l’atomo di Sodio è molto propenso a perdere l’elettrone più esterno, il 3s. Si arriva così ad avere 11 protoni e 10 elettroni.
Lo ione Sodio (Na+) si ritrova quindi ad avere una carica positiva in più rispetto alle cariche negative.
Si usa generalmente rappresentare gli ioni usando il simbolo dell’elemento di partenza e aggiungere in altro a destra un numero che indica quante particelle (protoni o elettroni) ci sono in più rispetto alla controparte.
Per lo ione Sodio si scrive: Na+
Il + ci indica che abbiamo una carica positiva in più rispetto alle cariche negative, e siccome non è possibile modificare il numero di protoni perchè si cambierebbe elemento l’unica cosa che ci resta da fare e togliere un elettrone.
Ovviamente un atomo può perdere un elettrone, come il Sodio, oppure può acquistare elettroni. Un atomo che ha la tendenza ad acquistare elettroni è per esempio il Fluoro (F).
Un atomo neutro di Fluoro può essere rappresentato così:
Possiamo notare che a questo elemento manca un singolo elettrone per completare il guscio elettronico con n=2, visto che questo guscio può ospitare al massimo 8 elettroni. Per completarlo non deve fare altro che prendere un elettrone da un atomo che è molto propenso a cederlo, come per esempio il Sodio.
Il Fluoro arriva così a trovarsi con 9 protoni e 10 elettroni. Per schematizzare lo ione Fluoro si usa lo stesso metodo visto prima per il Sodio.
Per lo ione Fluoro si scrive: F–
CATIONI e ANIONI
Siamo ora arrivati a dire che gli ioni esistono di 2 tipi diversi, un tipo deriva da un atomo che ha perso un elettrone (+) e l’altro caso deriva da un atomo che ha acquistato un elettrone (-).
Ovviamente viene molto più comodo dare 2 nomi distinti a questi 2 tipi di ioni.
Gli Ioni che hanno una carica positiva vengono chiamati CATIONI
Gli Ioni che hanno una carica negativa vengono chiamati ANIONI
Lo ione Sodio (Na+) è quindi un Catione mentre lo ione Fluoro (F–) è un Anione.
Questi 2 termini furono coniati da Michael Faraday, uno degli scienziati più influenti del 1800 che diede importanti contributi alla Chimica, in particolare all’elettrochimica e alla Fisica correlata ai campi elettrici e magnetici.
I termini in particolare derivano da Catodo e Anodo, il nome che si dà agli elettrodi in un sistema elettrochimico.
METALLI e NONMETALLI
Potenzialmente tutti gli atomi possono acquistare o perdere elettroni. La Natura ha però messo dei paletti e certi elementi riescono solo a perdere elettroni e altri riescono solo ad acquistarli. Ovviamente ci sono elementi che riescono a fare entrambe le cose.
La capacità di un elemento di perdere o acquistare un elettrone è direttamente riconducibile alle condizioni nelle quali si trova. Per esempio il Ferro riesce a dare ioni Fe2+ e Fe3+, esiste però un caso limite, difficilissimo da raggiungere, dove il Ferro lo si può incontrare come ione Fe2-.
Come regola generale possiamo dire che tutti gli elementi metallici tendono a formare Cationi mentre gli elementi chiamati nonmetalli tendono a fare origine agli Anioni.
METALLI → CATIONI
NONMETALLI → ANIONI
è importantissimo sapere che gli ioni da soli non si formano ma si forma sempre una coppia di ioni. è sempre necessario che un atomo perda un elettrone affinchè un altro atomo ne possa acquistare uno.
Per quello che ne sappiamo l’Universo è elettricamente neutro, se si crea una carica positiva è necessario che da qualche parte si formi una carica negativa.
Esiste una certa relazione tra gli ioni e il numero di ossidazione, rimando però all’articolo dedicato per approfondire meglio i 2 concetti.
2 IONI STESSO ELEMENTO
Nell’esempio del paragrafo superiore si parlava dello ione Fe2+ e del Fe3+, un elemento riesce quindi a perdere o acquistare più di un elettrone?
La risposta è sì, esistono ioni con carica diversa che derivano dallo stesso tipo di atomo di partenza.
La regola vuole che si scriva prima il numero e poi il segno delle carica quando scriviamo uno ione con più di una carica.
Questo fenomeno lo si nota bene con i metalli di transizione. I metalli alcalino e gli alcalino terrosi danno origine a un solo tipo di ione.
Per gli anioni in discorso è diverso. Generalmente gli atomi che danno origine agli Anioni tendono a dare un singolo tipo di ione perchè ai nonmetalli interessa arrivare a completare gli orbitali p più esterni in modo completo. Prendono gli elettroni dei quali hanno bisogno e sono contenti così.
Nasce ora spontaneo chiedersi il perchè esistono diversi tipi di cationi partendono dallo stesso atomo?
La risposta ovviamente non è banale. Uno stesso atomo riesce a dare origine a cationi differenti per diversi motivi:
- Le differenze di energia tra i 2 cationi è così bassa da permettere al sistema di diventare stabile anche formando ioni con cariche diverse.
- Se un atomo ha la tendenza ad acquistare un elettrone allora avrà una notevole forza per strappare elettroni a un atomo che forma cationi e di conseguenza avrà abbastanza forza per costringere il catione ad assumere una carica positiva grande. Se invece l’anione ha una bassa tendenza a formarsi allora strapperà debolmente gli elettroni e non riuscirà a strappare quelli più “interni” a una specie metallica.
- Altri fattori esterni come la Temperatura, il pH, la Pressione e la presenza di determinate strutture permettono ai metalli di manifestare una gamma elevata di cationi a cariche diverse.
GLI IONI POLIATOMICI
Oltre ai normali ioni derivanti direttamente dagli atomi è possibile avere anche ioni derivanti dalle molecole. Si parla in questo caso di ioni poliatomici.
Un esempio di questo tipo di ione è l’anione derivante dall’acido solforico: HSO4–.
A differenza degli ioni “atomici” che si formano quando un atomo neutro perde elettroni in questo caso per formare uno ione poliatomico si parte dalla molecole neutra e tramite la rottura eterolitica di un legame si viene a creare una coppia di ioni.
Per rottura eterolitica intendiamo che i 2 elettroni che inizialmente erano condivisi per formare un legame covalente tra i 2 atomi dopo la rottura si trovano entrambi su un singolo atomo. Nel nostro caso la rottura del legame O-H ha fatto sì che l’Ossigeno si prendesse entrambi gli elettroni del legame lasciando l’Idrogeno senza.
Questa tipologia di reazione è la via più comune in Chimica per produrre ioni o per formare sali.
L’anione che si viene a creare non mantiene fissa la carica sull’Ossigeno ma e come se la carica appartenesse a tutta la molecola, di conseguenza ora è tutta la molecola a comportarsi come uno ione dato che è tutta caricata negativamente, lo chiamiamo quindi anione poliatomico.
Anche in questo caso l’acido solforico di partenza riesce a dare origine a più di un singolo ione. La molecola che abbiamo ottenuto nella prima reazione riesce ancora a cedere un altro H e quindi il prodotto finale che si ottiene è SO42–. Anche in questo caso sono le condizioni in cui si trova la molecola a determinare quale ione si formerà e in quale quantità, quello che dobbiamo sapere è che gli atomi e le molecole possono dare più ioni a partire dalla stessa particella.
ALCUNI CHIARIMENTI
è importante non fare confusione tra la formazione di uno ione a partire dagli atomi neutri e la formazione di ioni poliatomici a partire dalle molecole.
- ATOMO NEUTRO = in questo caso abbiamo proprio un trasferimento di elettroni tra 2 specie chimiche, cioè uno atomo cede un elettrone e uno lo acquista.
- MOLECOLA NEUTRA = In quest’altro caso raramente abbiamo la formazione di ioni per trasferimento di elettroni tra 2 specie, abbiamo per la maggior parte delle volte una rottura eterolitica di un legame che porta alla formazione di 2 cariche opposte.
Non è per forza necessario passare da un atomo o una molecola neutra per ottenere i diversi ioni che quella particella riesce a fare. Per esempio è possibile passare dallo ione Fe3+ allo ione Fe2+ senza necessariamente passare da Ferro elementare.
Generalmente ad ogni ione viene associato un particolare nome, se parlo di ione ferro non so se sto parlando di Fe3+ oppure di Fe2+. Esistono una serie di regole che ci permettono di dare il nome in maniera univoca. Queste regole sono tutte descritte nella Nomenclatura Chimica.
Per esempio lo ione F– prende il nome di fluoruro mentre Fe3+ e Fe2+ vengono chiamati rispettivamente ione ferrico e ione ferroso.
