Tutto nel mondo, naturale o sintetico, è costituito da minuscole strutture chiamate atomi, che sono fatte di protoni, neutroni ed elettroni. I protoni hanno carica positiva, i neutroni non hanno carica e gli elettroni hanno carica negativa. L’equilibrio di queste particelle determina la carica complessiva di un atomo. Un oggetto con una carica positiva, come una persona dopo aver strofinato energicamente i piedi coperti da un calzino su un tappeto, contiene più particelle positive (protoni) che negative (elettroni). Poiché gli atomi positivi sono attratti da quelli negativi e respinti da altri positivi, le cariche degli atomi che compongono un pezzo di materia influenzano fortemente le sue proprietà e il suo comportamento.
Cariche atomiche
Gli atomi, che sono l’unità base della materia, hanno un nucleo formato da protoni e neutroni, attorno al quale sono legati uno o più elettroni. Il numero di protoni determina quale elemento è l’atomo e viene dato come numero atomico. Ad esempio, il magnesio ha 12 protoni, dandogli il numero atomico 12, mentre l’ossigeno ne ha otto. Quando gli atomi si uniscono, diventano molecole.
Elettroni e protoni non hanno le stesse dimensioni e peso – gli elettroni sono più piccoli e più leggeri dei protoni – ma hanno la stessa quantità di carica. Cioè, un numero corrispondente di protoni ed elettroni si annulla a vicenda in termini di carica complessiva. Poiché i neutroni sono neutri, il loro numero non influisce sulla carica di un atomo.
Sebbene il numero totale di particelle subatomiche di un atomo vari, gli atomi in genere sono bilanciati elettricamente, con un numero uguale di protoni ed elettroni. Ciò significa che, naturalmente, gli atomi hanno una carica neutra, ma questa può cambiare acquistando o perdendo elettroni attraverso processi chimici e fisici. Quando un elettrone viene perso, l’equilibrio si sposta con un protone in più, dando all’atomo una carica positiva. Il contrario è vero per gli atomi con carica negativa, che hanno guadagnato un elettrone. Quando l’equilibrio delle particelle viene interrotto, producendo un atomo (o una molecola) positivo o negativo, non sono più chiamati atomi. Invece, sono ioni, con quelli positivi chiamati cationi e quelli negativi chiamati anioni.
Carica e comportamento
La carica che un oggetto ha influenza come reagisce al suo ambiente. I cationi sono attratti dagli anioni, per esempio, ma sono respinti da altri cationi. Allo stesso modo, gli atomi con carica negativa si respingono. Questo comportamento è indicato come legge di Coulomb.
Gli atomi positivi non attraggono o respingono quelli neutri, ma attraverso un fenomeno chiamato induzione elettrostatica, si può creare un’attrazione. Ciò si verifica perché gli elettroni in alcune molecole tendono a diventare più mobili quando una carica positiva è vicina. Gli elettroni nella molecola neutra sono quindi in grado di spostarsi verso la sorgente della carica positiva. Il movimento crea una carica negativa nel punto più vicino alla sorgente, sebbene la molecola sia complessivamente invariata. Questo fenomeno si verifica più spesso con i metalli, che è ciò che consente a una carica elettrica di fluire attraverso di essi.
Applicazioni quotidiane
Molti oggetti e processi di uso quotidiano fanno uso di cariche positive. Quando il bucato cade in un’asciugatrice, ad esempio, il movimento fa sì che gli elettroni si spostino dagli atomi sulla superficie di alcuni capi ad altri, conferendo ai capi di abbigliamento cariche diverse. Questo è ciò che porta all’elettricità statica, poiché le particelle ora caricate positivamente e negativamente sono attratte l’una dall’altra e fanno aderire i vestiti. I fogli dell’asciugatrice in genere contengono sostanze chimiche che hanno una carica positiva, che si stacca sugli articoli, contribuendo a rendere nuovamente neutri quelli negativi.
Un altro esempio è la stampante laser, che stampa testo e immagini su carta creando una serie di cariche positive e negative. Quando inizia un lavoro di stampa, il laser “scrive” trasferendo l’elettricità statica con carica negativa a un cilindro con carica positiva. Il toner, anch’esso positivo, viene quindi applicato al cilindro ed è attratto dalle aree negative. Il cilindro viene quindi arrotolato su un foglio di carta caricata negativamente e il toner si lega ad esso.
Molecole biologiche
Il totale combinato di tutti gli atomi e gli ioni che fanno parte di una molecola biologica è noto come sua carica netta. La maggior parte delle molecole sono complessivamente neutre, ma quelle grandi tendono ad avere una o più aree discrete che mostrano una carica negativa o positiva. Queste aree influenzano fortemente il modo in cui la molecola si piega e il modo in cui interagisce con altre molecole. Ad esempio, DNA e RNA sono entrambi acidi nucleici, ma si comportano in modo molto diverso in parte perché le loro cariche sono distribuite in modo diverso lungo le loro superfici.
La ricerca scientifica spesso richiede informazioni sulle cariche di atomi e molecole perché influenza il comportamento delle molecole biologicamente attive. Un’area particolare in cui la manipolazione delle cariche molecolari è molto utile è la progettazione razionale di farmaci. I ricercatori in questo campo lavorano allo sviluppo di farmaci più efficaci, in alcuni casi manipolando la carica di un potenziale farmaco per farlo interagire in modo più efficiente con il suo bersaglio.