La materia è tutto ciò che ha massa e occupa spazio. Ogni cosa attorno a noi è fatta di materia: solidi, liquidi, gas e persino il nostro corpo. La chimica è la scienza che studia la struttura, la composizione, le trasformazioni e i processi energetici della materia. Inoltre, analizza come queste trasformazioni avvengono e quali leggi le regolano. Gli atomi sono i costituenti fondamentali della materia. Al loro interno si trovano particelle subatomiche legate tra loro da due forze fondamentali: l’elettromagnetismo e l’interazione nucleare forte.
L’atomo
L’atomo è formato da un nucleo centrale, che contiene due tipi di particelle: i protoni, con carica positiva, e i neutroni, privi di carica. Il numero di protoni definisce il numero atomico (Z) e distingue un elemento chimico da un altro. In altre parole, ogni elemento ha un numero unico di protoni. Gli elementi sono sostanze che non si possono scomporre in sostanze più semplici attraverso reazioni chimiche. Perciò rappresentano le unità fondamentali della chimica. Gli elettroni, con carica negativa, orbitano attorno al nucleo. Anche se molto più leggeri di protoni e neutroni, determinano le proprietà chimiche di un elemento. Infatti, la disposizione degli elettroni influenza le reazioni chimiche.
Come la materia stabilizza il nucleo atomico
I neutroni riducono la repulsione tra i protoni, che tendono a respingersi a causa della carica positiva. In questo modo stabilizzano il nucleo. La somma tra protoni e neutroni forma il numero di massa (A). Di conseguenza, due atomi dello stesso elemento possono avere masse diverse. Il nucleo è molto più piccolo dell’intero atomo: il suo raggio è circa 104 volte inferiore. Questo significa che la maggior parte dell’atomo è spazio vuoto, con la massa concentrata nel nucleo.
Gli isotopi e le proprietà chimiche
Un atomo neutro ha lo stesso numero di protoni ed elettroni. Tuttavia, quando guadagna o perde elettroni, diventa uno ione. Se acquista elettroni, si trasforma in uno ione negativo (anione). Al contrario, se li perde, diventa uno ione positivo (catione). Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con un numero diverso di neutroni. Hanno quindi lo stesso numero atomico ma un diverso numero di massa. Per questo motivo, le loro proprietà chimiche restano invariate, mentre alcune proprietà fisiche (come la massa o la stabilità del nucleo) possono cambiare. Studiare la materia significa capire cosa compone ogni cosa nell’universo. In effetti, ogni oggetto, ogni sostanza, ogni essere vivente nasce dall’organizzazione e dall’interazione degli atomi.
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