You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
Forse sapete già che tutta la materia è composta di atomi e che un atomo è una particella davvero molto, molto, molto piccola. Ogni atomo ha un nucleo, composto da almeno una particella carica positivamente detta protone, e, nella maggior parte dei casi, da un certo numero di particelle neutre, chiamate neutroni. Il nucleo è circondato da particelle cariche negativamente, chiamate elettroni. L'identità di un atomo è determinata esclusivamente dal numero di protoni presenti nel suo nucleo. L'idrogeno è idrogeno perché ha solo un protone, il carbonio è carbonio perché ne ha sei, l'oro è oro perché ne ha 79, e così via. Concedetemi una breve digressione. Come facciamo a conoscere la struttura atomica? Noi non siamo in grado di vedere protoni, neutroni o elettroni. Allora facciamo un po' di esperimenti e sviluppiamo un modello per quello che pensiamo ci sia dentro. Poi facciamo ancora altri esperimenti e vediamo se concordano con il modello. Se sì, fantastico. Se no, forse è tempo di sviluppare un nuovo modello. Ci sono stati tanti modelli di atomi molto diversi a partire da Democrito, nel 400 a.C. e ce ne saranno quasi certamente molti altri a venire. Okay, digressione finita. I nuclei degli atomi tendono a stare insieme, ma gli elettroni sono liberi di muoversi, ecco perché noi chimici amiamo gli elettroni. Se potessimo sposarli, probabilmente lo faremmo. Ma gli elettroni sono strani. Sembrano comportarsi o come particelle, simili a piccole palle da baseball, o come onde, onde d'acqua, a seconda dell'esperimento che eseguiamo. Una delle cose più strane sugli elettroni è che non si può dire esattamente dove si trovino. Non è che non abbiamo l'attrezzatura, è che questa incertezza fa parte del nostro modello di elettrone. Quindi non siamo in grado di individuarli. Bene. Però possiamo dire che c'è una certa probabilità di trovare un elettrone in un dato spazio attorno al nucleo. Questo significa che siamo in grado di porre la seguente domanda: Se disegnassimo una forma attorno al nucleo tale da poter essere sicuri al 95% di trovare un dato elettrone all'interno di quella forma, a cosa potrebbe somigliare? Ecco alcune di queste forme. I chimici le chiamano orbitali, e l'aspetto di ognuna dipende, tra le altre cose, da quanta energia possiede. Più energia ha un orbitale, più la maggior parte della sua densità è lontana dal nucleo. A proposito, perché abbiamo scelto il 95% e non il 100%? Beh, questa è un'altra stranezza del nostro modello di elettrone. Oltre una certa distanza dal nucleo, la probabilità di trovare un elettrone inizia a decrescere in modo più o meno esponenziale, il che significa che mentre si avvicinerà allo zero, in realtà non toccherà mai lo zero. Quindi, in ogni atomo, c'è una qualche piccola probabilità, diversa da zero, che per un periodo di tempo molto, molto breve uno dei suoi elettroni si trovi all'altra parte dell'universo conosciuto. Ma, per lo più, gli elettroni stanno vicini al loro nucleo come nuvole di densità con carica negativa che si spostano e si muovono con il tempo. Il modo in cui gli elettroni di un atomo interagiscono con gli elettroni di un altro determina quasi tutto. Gli atomi rinunciare ai loro elettroni, cedendoli ad altri atomi, oppure possono condividere elettroni. E le dinamiche di questo social network sono quelle che rendono la chimica interessante. Dalle semplici e antiche rocce alla meravigliosa complessità della vita, la natura di ogni cosa che vediamo udiamo, gustiamo, odoriamo, tocchiamo e perfino percepiamo è determinata a livello atomico.